氟化改性硅树脂制备的超疏水涂层防覆冰性能

研究具有超疏水表面特性的疏水涂层实际防覆冰效果.首先理论分析了水滴在固体表面浸润性影响因素,利用不同硅烷水解缩合反应制备出低表面能的含氟硅树脂,之后引入分形理论在含氟硅树脂中添加二氧化硅微粒制备疏水涂层.观察掺杂微粒的涂层表面微观结构,并测试水滴在不同涂层表面的接触角;为直观分析涂层防覆冰效果,将不同涂层涂覆试验件后在结冰风洞中进行覆冰测试.结果显示掺混不同量级微粒的疏水涂层表面形成复合粗糙结构,有着更好的粗糙度;含氟硅树脂表面水滴接触角较普通硅树脂提升10°,含有不同量级粒径微粒的涂层表面水滴接触角较单一粒径微粒掺混的涂层提升近20°,达到超疏水表面效果;具有复合微观结构的疏水涂层涂覆的试验件在5 m·s-1和15 m·s-1的风速下较无涂层表面覆冰减少率分别达到35.6％和25.9％,较只有一级粗糙结构的表面有效防覆冰时间长,具有较好的防覆冰能力.结果表明本文设计的超疏水涂层达到超疏水表面效果,且具有较好的防覆冰性能.     

从自然到仿生的超疏水纳米界面材料

浸润性是固体表面的重要特征之一,它是由表面的化学组成和微观几何结构决定的。日前我们关于荷叶和水稻叶的研究显示,一种具有较大接触角和较小滚动角的超疏水表面,需要微米和纳米级的结构有机结合形成复合结构,而且表面微观结构的排列方式会影响水滴的运动趋势。通过对水黾腿表面结构的详细研究,得到了超疏水性质与微、纳米结构取向之间的关系。据此,我们已成功制备出了超疏水和超双疏的纳米界面材料,并实现了热响应性和光响应的超疏水与超亲水可逆“开关”材料。     

超疏水表面黏附性对冷凝传热的影响

表面黏附性对冷凝液滴的成核、生长和脱离过程有重要影响。为进一步提高表面的冷凝传热系数,制备亲水、超疏水高黏附和超疏水低黏附3类表面,在不同蒸汽压力及风冷条件下,研究表面黏附性、压力、加热功率和冷却功率等因素对冷凝传热的影响。研究结果表明:由于超疏水高黏附表面的液滴易成核但不易脱离,而超疏水低黏附表面的液滴极易脱离,因此,在相同压力和过冷度下,超疏水低黏附表面的换热系数远大于超疏水高黏附表面的换热系数;在过冷度为4.0 K的常压条件下,超疏水低黏附和高黏附表面换热系数分别是亲水表面换热系数的4.99倍和1.77倍;在同一风冷功率和加热功率下,超疏水低黏附表面的过冷度明显小于超疏水高黏附表面的过冷度。     

超疏水钢表面的制备及其抗结霜性能

为了改善传统钢铁表面较差的抗结霜性能,对钢片表面先后进行高能微米喷丸处理和氟化处理,采用扫描电子显微镜、接触角测量仪和抗结霜试验设备研究了钢片表面形貌、浸润性和抗结霜性能的变化.结果表明,高能微米喷丸处理在钢片表面成功构建了微米一纳米复合结构,且喷丸尺寸越细小,得到的微观结构越细小均匀.喷丸一氟化复合处理后,钢片表面与水滴接触角可高达160.,滚动角小于2.,显示出超疏水性和低黏附性.低温结霜试验表明,制备的超疏水钢片在试验过程中只有少量的霜晶出现,而未经处理的钢片已形成霜层.分析认为超疏水钢表面与水滴间的热量交换较小,水滴不易凝结,从而有效地提高了抗结霜性.抗结霜性良好的超疏水钢有望在热交换器或低温运行设备等领域获得应用.     

具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料

浸润性是固体表面的重要特征之一,它是由表面的化学组成和微观几何结构决定的。近年来,超疏水性表面引起了人们的普遍关注。所谓超疏水表面一般是指与水的接     

木材表面SiO2/环氧树脂/氟硅烷复合超疏水膜的构建

【目的】为获得具有良好机械耐磨性的超疏水木材,构建了木材表面SiO₂/环氧树脂/氟硅烷复合超疏水膜。【方法】采用两步法在木材表面构建有机/无机复合超疏水涂层,在木材基底预置透明环氧树脂底层以覆盖木材表面天然微沟槽结构,然后构建SiO₂/环氧树脂/氟硅烷(FAS)复合超疏水薄膜。采用场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜以及傅里叶红外光谱仪对超疏水涂层的微观形貌和化学组成进行表征,并测试其疏水、疏油和机械耐磨性能。【结果】木材表面复合超疏水涂层具有精细的微/纳米二元粗糙结构,该结构协同低表面能物质FAS,使木材表面不仅具有良好的超疏水性能(水静态接触角为153°,滚动角低于4°),而且疏油(乙二醇接触角为146°,滚动角低于11°); 经砂纸多次磨擦后木材表面水接触角和滚动角基本不变,超疏水性能保持稳定,超疏水涂层的微纳米结构及疏水物质依然保留,表现出良好的机械耐磨性。【结论】有机/无机复合超疏水涂层体系中,环氧树脂由于黏结作用使得SiO₂纳米粒子与木材基底形成牢固的结合,从而赋予涂层良好的机械稳定性。     

植物叶表的润湿性能与其表面微观形貌的关系

对疏水植物———稗草、狗尾草、虎尾草以及亲水植物———苘麻和菊芋叶表的扫描电镜(SEM)对比分析发现:植物表面微观形貌的特征对亲水与疏水性能具有重要作用.疏水性植物叶表普遍具有微观颗粒状突起单元,单元直径约为5μm;亲水性植物叶表形貌典型特征是具有分布密度均匀的200~400μm长的针状毛刺,依其刺破水膜导致水滴在叶表迅速铺展而形成亲水效果.     

一步喷涂法制备低黏附的超疏水颗粒表面

采用硬脂酸和十八烷基三氯硅烷分别对商业来源的ZnO、TiO2和SiO2颗粒进行修饰得到相应的疏水颗粒.然后利用简单的一步喷涂法通过喷涂所制备的疏水颗粒的无水乙醇悬浮液制备自清洁型的超疏水颗粒表面.通过红外光谱(FT-IR)、X-射线光电子能谱(XPS)、X-射线粉末衍射(XRD)证明低表面能物质成功地修饰在这些氧化物表面;用扫描电镜(SEM)观察超疏水表面形貌发现表面团聚现象比较严重;用DSA100型接触角测量仪测量所制备的超疏水颗粒表面对水滴的静态接触角高达160°,滚动角小于5°,说明该表面具有良好的超疏水性能.     

超滑表面防冰与疏冰机理研究

为解决高湿度条件下超疏水表面防冰失效问题,提出了一种新型多孔超滑表面。基于自组装技术,提出新型超滑表面(HPO-SLIP)涂层表面制备方法,即通过构建超疏水粗糙多孔基底进而涂覆润滑油制备获得超滑表面,并对其润湿特性和微观形貌进行表征,最后对其防冰与疏冰特性进行实验研究。实验结果表明:与超疏水表面相比,超滑表面冷凝液滴孤立冻结,无"冰桥"扩展,结冰扩散速度慢;超滑表面与冷凝冻结液滴接触属于固-油-固接触模型,油膜动态迁移分布影响成核结冰;对于疏冰特性,超滑表面冰黏附剪切强度比亲水表面低一个数量级。综合分析发现,与亲水表面、超疏水纳米草表面、超疏水微纳复合表面相比,超滑表面具有最优的防冰传播特性与疏冰性能,可以有效减少冰积累量。     

超疏水表面滑移流动特性数值仿真研究

提出了两无限大平行平板间充分发展层流流动的滑移参数计算方法,并基于不连续气层假设的滑移流动模型,在壁面条件中给定无滑移边界面和自由剪切面组成的复合边界条件,对具有规则微观结构的超疏水表面滑移流动特性进行数值仿真研究.数值仿真结果表明:该计算方法不仅能够精确获得超疏水表面滑移长度、滑移速度、流场结构等信息,还可以得到超疏水表面微观结构的几何尺寸对其减阻特性的影响规律.     

超疏水材料表面的空气膜与自清洁作用对细菌黏附行为的影响

超疏水材料因其特殊的润湿性被广泛用作抑菌材料，许多研究认为超疏水材料与细菌溶液间的空气膜是其抑菌的关键因素，但鲜有研究能直接证明空气对细菌黏附的影响.本文应用电化学阳极氧化法和分子自组装方法，在钛箔表面制备了超亲水的二氧化钛纳米孔柱阵列(NPA)和超疏水的NPA.通过超声去除超疏水NPA固-液界面的空气膜，对比研究细菌在超疏水样品有无超声情况下的黏附，其中细菌黏附应用荧光显微镜进行表征.结果表明，超疏水NPA相对于超亲水NPA表现出明显的抗菌效果；肉眼可见的空气膜在局部区域内，可明显阻碍细菌的黏附，从而影响细菌在超疏水材料表面的分布；但从黏附细菌的整体数量对比，超疏水NPA固-液界面的空气膜对细菌的黏附数量并没有显著影响.此外，超疏水材料表面黏附的细菌易在常规的实验漂洗过程中脱离材料，这提示了在考察超疏水材料的抑菌性能时，需要考虑材料的自清洁作用对其抑菌性能表征的干扰.     

超疏水性织物的构建及其多功能性

 介绍了Young's、Wenzel、Cassie-Baxter模型等研究疏水性表面的基本理论,总结了宏观结构、微观结构、微观性能、毛细效应、化学组成等影响织物润湿性能的因素,综述了溶胶-凝胶法、层层自组装法、化学气相沉积法、化学刻蚀法、电纺丝法、聚合物成膜法、相分离法、辐射接枝法等超疏水织物表面的制备方法,预示了织物未来发展方向应为抗菌性、阻燃性、油水分离、超双疏、抗紫外性等多功能性研究,提出了目前超疏水性织物研究瓶颈及拟解决办法,展望了超疏水性织物的未来应用前景。     

表面的超疏水性对生物防污效果的影响

以SU-8负性光刻胶为原料,采用传统光刻法制备微型柱子结构,在此基础上利用商用疏水二氧化硅微球,通过液相沉积法来制备微型柱子分级结构。为了增加上述结构的超疏水性,以全氟辛基三氯硅烷为氟化剂,采用化学气相沉积法对其表面进行了改性。用电子扫描电镜表征了微型柱子和微型柱子分级结构表面的形貌,发现后者的粗糙度较前者增加了。通过测量水滴在表面的接触角和滚动角,比较了不同结构表面的疏水性能。测试了不同结构表面在莱茵衣藻培养液中的防污效果来研究其疏水性能对生物防污效果的影响。实验结果表明,氟化后的微型柱子和微型分级柱子表面均具有优良的超疏水性能,水滴在两表面上的接触角均高于150°,滚动角均小于10°;在微型柱子结构表面引入分级结构后,极大地提高了表面的疏水性能,使水滴在表面的接触角提高7°,滚动角降低4°;表面疏水性能的提高有助于延长表面的生物防污效果。     

常温下“不完全浸润的有序单层水”和分子尺度亲水性

传统的亲疏水理论认为,表面的亲疏水性质在宏观和微观是一致的.本文回顾了常温下宏观与微观表现不一致的一种浸润现象:"不完全浸润的有序单层水",即宏观上有水滴的疏水表面上,微观分子尺度上反而存在亲水表面才有的致密单分子厚度的水层,体现疏水表面的液滴和体现亲水表面的致密单分子水层共存于一个表面上,导致分子尺度亲水性现象.近几年来,人们通过数值模拟和实验发现,许多真实材料表面也存在类似现象,显示这种表面浸润现象可能广泛存在.在应用方面,这种有序水可以明显的减小亲水界面上的阻尼,这对过滤膜、植入人体器官和船舶表面减阻应用都有重要意义.     

光催化型超疏水材料SiO_2-TiO_2的制备和表征

以甲基三甲氧基硅烷为前驱体制备疏水型SiO_2凝胶颗粒,在其悬浮液中采用低温苯甲醇醇解法原位生长TiO_2,制备光催化型超疏水材料SiO_2-TiO_2.利用X射线衍射仪、紫外-可见光谱仪、透射电子显微镜、X射线能量色谱仪等手段,考察SiO_2-TiO_2的晶相组成、粒径、比表面积等微结构性能,并以油酸的光催化降解为模型评价样品的自清洁性能及可重复利用性能.结果表明,负载不同含量TiO_2的样品均为锐钛矿型结构,粒径分别为4.4和2.4nm,在紫外区具有很强的光吸收,比表面积分别达到299.3和417.0m2/g.经SiO_2-TiO_2整理的棉织物水滴接触角达160°以上.沾上油酸后,织物表面由超疏水状态转变成超亲水状态,其与水滴之间的接触角小于5°,但在紫外光的照射下该棉织物的水滴接触角能够恢复到160°左右,表明整理后的棉织物具有持久的自清洁性能和可重复利用性能.     

自组装合成超疏水聚苯胺片状多级结构

采用无模板-化学氧化聚合法,在全氟辛酸(PFOA)的水溶液中以过硫酸铵(APS)为氧化剂聚合苯胺(Ani)自组装合成超疏水聚苯胺(PANI)片状多级结构.利用SEM,FT-IR,XRD和UV-vis对其形貌和结构进行了表征.当PFOA浓度为0.002 4 mol/L,聚合温度为25℃时,氧化剂APS的量与苯胺相同;Ani浓度为0.022mol/L时,合成的PANI为长几十微米宽大约为2~5μm的片状结构,该片状结构表面由长大约1μm直径约为100nm的PANI纤维组成;而Ani浓度为0.044mol/L时,合成的PANI长为20μm左右宽大约为2~3μm的片状结构,该片表面布满短而粗的不规整纤维,并且发现它们的水接触角分别为149°和151°,表明该材料具有超疏水性能.     

溶胶-凝胶法制备超疏水性OTS-SiO2复合薄膜

以正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体,采用酸/碱两步溶胶-凝胶法和自组装技术制备了具有超疏水性的薄膜.利用红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角仪等测试方法对十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰前后薄膜的结构、形貌、表面元素组成与润湿等性能进行了表征和分析.结果表明,制备的OTS-SiO2复合薄膜具有良好的超疏水性能,水滴在该薄膜上的最大静态接触角为156°,滚动角小于5°.     

溶胶-凝胶法制备超疏水性OTS-SiO2复合薄膜

以正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体,采用酸/碱两步溶胶-凝胶法和自组装技术制备了具有超疏水性的薄膜.利用红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角仪等测试方法对十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰前后薄膜的结构、形貌、表面元素组成与润湿等性能进行了表征和分析.结果表明,制备的OTS-SiO2复合薄膜具有良好的超疏水性能,水滴在该薄膜上的最大静态接触角为156°,滚动角小于5°.     

疏水性Al2O3膜表面的化学稳定性

采用长链烷基的硅氧烷对片式对称多孔Al2O3膜进行改性, 制备疏水性Al2O3膜.考察在不同环境下疏水Al2O3膜的化学稳定性, 采用接触角和红外光谱表征膜表面性质的变化. 结果表明:制备的疏水膜的水接触角约为142°; 在室温下的浓H2SO4和NaOH溶液中, 疏水膜具有良好的稳定性, 但是在120℃的浓H2SO4和80℃的NaOH溶中, 疏水表面很快被破坏, 转变成亲水表面;疏水Al2O3膜在多种有机溶剂中浸泡20d仍保持良好的稳定性.     

仿生制备氧化锌纳米棒阵列超疏水表面

通过模仿荷叶表面微观结构和表面化学成分的方法,以玻璃为基底在溶液中生长ZnO纳米棒并经表面低自由能化修饰,从而成功制备了ZnO纳米棒阵列超疏水表面.经接触角测量仪表征,该超疏水表面静态水接触角为156°,扫描电镜分析表明所制备的ZnO纳米棒均具有100 nm左右的直径,这种微纳米的复合结构是赋予材料表面超疏水性能的主要因素.最后采用Cassie模型对该超疏水表面的超疏水性能进行了理论分析.