乳液法仿生超疏水SiO2薄膜的制备及性能研究.pdf

山东轻工业学院
硕士学位论文
乳液法仿生超疏水SiO2薄膜的制备及性能研究
姓名:李举豹
申请学位级别:硕士
专业:材料物理与化学
指导教师:陈玉清
2011-06-01
山东轻工业学院硕士学位论文
摘要
受“荷叶效应”的启发,人们对超疏水表面的研究兴趣也日益浓厚。仿荷叶
表面结构超疏水材料在防雪,防雾,涂料,防水衣物,管道运输和微注射器等
方面具有广泛的应用价值。本论文介绍了超疏水材料相关理论及自然界的超疏
水现象,总结了近年来国内外有关超疏水材料的制备方法,指出了当前超疏水
研究领域存在的问题及应用前景。介绍了乳状液的分类,制备及应用,在此基
础上引申出本论文的立题思想。
超疏水表面可以通过两种途径获得:一是在具有微纳米级复合结构的粗糙
固体表面修饰低表面能物质;二是在低表面能材料表面构建微纳米级复合的粗
糙结构。其中,微纳米结构的构建方法是超疏水材料制备的关键所在。本论文
从构建微纳米结构入手,通过在不同的基质材料表面构建类似荷叶表面的微纳
米级粗糙结构来制备超疏水表面。
利用聚合物乳液体系中不连续的分散相为模板,通过二氧化硅溶胶粒子在
乳胶粒表面的聚集和在水相中的分散制备了具有蜂窝样结构氧化硅薄膜。结果
表明:薄膜经热处理后获得了多孔的结构。薄膜经三甲基氯硅烷液相修饰,表
面能降低,由一个超亲水的状态转化为超疏水的状态,薄膜/水接触角达到
°。此外,薄膜/水滚动角为 °,具有和荷叶相似的自清洁性能。聚合时
的单体加入量和硅溶胶/聚苯乙烯(PS)的体积比均对薄膜的表面粗糙度产生影
响,薄膜表面粗糙度的变化可以反映薄膜接触角的变化,并且具有较大粗糙度
的疏水表面与水具有较高的接触角。薄膜的耐气候变化研究结果显示:室内放
置的薄膜在 150 天时仍具有超疏水性能,室外放置的薄膜由于恶劣的气候条件,
超疏水性能仅能维持 40 天。
采用聚乙烯醇(PVA)为相分离剂,利用氧化硅水溶胶制备了具有荆棘样
结构的氧化硅薄膜。薄膜经低表面能物质液相修饰获得超疏水性,薄膜/水接触
角和滚动角分别为 °和 °,具有类似于荷叶的自清洁性能。结果表明:
PVA 的分子量和添加量均对薄膜的表面形貌产生影响,通过改变相分离剂 PVA
的分子量和添加量可以实现对薄膜表面形貌的控制。
采用 PS 乳液和聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合一步法制备了超疏水 PTFE
薄膜,具有粗糙结构的薄膜与水的接触角高达 °,并且水珠极易从薄膜表
面滚落(滚动角为 °)。结果表明:薄膜的表面形貌随着 PS/PTFE 乳液体积比
的改变而改变,当 PS/PTFE 乳液体积比为 时,PS 乳液具有模板剂的功能,
薄膜具有“蛛网”样的结构。薄膜的耐候性研究结果表明:薄膜在室内放置 40 天
I
摘要
后仍具有超疏水自清洁性能,室外放置的薄膜,10 天后就失去超疏水性能。
以二氧化硅水溶胶为水相,环己烷为油相,采用十二烷基硫酸钠(SDS)
和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)复配体系为表面活性剂制备了稳定的油包水
(W/O)型乳液。通过乳液法制备了具有花样结构的疏水薄膜。花样结构是一
个微米纳米相结合的分级结构,它在薄膜表面随机分布并呈现出不同姿态。由
于花样结构在薄膜表面富集程度不够,薄膜/水接触角仅为 121°,不能满足超疏
水的要求。
本论文的研究结果表明:采用不同的途径制备超疏水薄膜,实验中的各项
参数均对薄膜的表面微观结构产生影响,微观结构的改变直接影响薄膜的表面
粗糙度,进而影响薄膜的疏水性能。无机薄膜相对于有机薄膜具有更好的耐候
性能,并且和基体有更好的结合力。





















关键词: 超疏水薄膜;乳液法;滚动角;自清洁;表面形貌
II
山东轻工业学院硕士学位论文
ABSTRACT
Inspired by the “Lotus Effect”, many people take interests in the research of
superhydrophobic surfaces. Superhydrophobic materials imitating lotus leaves have
wide applications in many fields, including fog condensation, snow sticking,
coatings to resisit water, antifouling clothing