改性纳米TiO_2薄膜超亲水性的研究进展

纳米TiO2超亲水薄膜是新型的功能性薄膜,在自洁、防雾和生物兼容性应用等方面起着重要的作用。由于普通的TiO2薄膜禁带宽度较大,亲水性能不佳,使其实际应用受到极大的限制,改性是提高TiO2薄膜超亲水性能的重要手段。因此,对TiO2进行改性就成为该领域的关键课题之一。文中综述了纳米TiO2薄膜的超亲水性机理,以及实现超亲水性表面的改性方法。     

TiO_2表面超亲水性

介绍了TiO_2表面的超亲水性原理及提高TiO_2超亲水性能的方法,并对其应用前景作了简要评述。     

改性PAMAM超亲水聚合物的制备及其防覆冰性能研究

采用溶胶-凝胶法引入二氧化硅纳米粒子制备了超亲水改性PAMAM聚合物,利用FT-IR、SEM、AFM以及表面张力仪对改性PAMAM聚合物涂层进行表征,考察了改性PAMAM聚合物涂层的润湿性能和表面结构特征,并对其防覆冰性能进行了研究。结果表明,制备的超亲水涂层表面形成了微纳米复合结构且静态接触角为9.4°达到超亲水状态;超亲水涂层具有较好的防结冰特性,主要是由于PAMAM端部的氨基以及分子空腔有助于超亲水表面形成水膜,抑制表面结冰速度,40min内覆冰量仅为1.19g,温度-5℃时延迟结冰时间可长达133s,而普通的疏水涂层只能延迟38s;改性PAMAM涂层的冰表面粘附力约为0.33N,疏冰性能显著优于普通的亲水和疏水涂层;稳定性测试中,经过12次结冰循环测试,其静态接触角和冰表面粘附力的平均变动幅度分别为1.4%和1.2%。     

TiO2表面超亲水性

介绍了ＴｉＯ２表面的超亲水性原理及提高ＴｉＯ２超亲水性能的方法,并对其应用前景作了简要评述。     

基于超亲水原理的自清洁表面研究进展及产业化状况

简要介绍了超亲水表面的自清洁原理、各种制备方法及目前超亲水自清洁表面的产业化状况.从初始接触角、光谱响应范围和超亲水持久性角度出发,指出了当前超亲水自清洁表面研究中存在的问题.最后对其未来发展进行了展望.     

铜表面的纳米结构制备及其浸润性研究

通过水热法在铜表面成功制备了一层具有纳米机构的超亲水薄膜,其表面的接触角可达到6°。随后用氟硅烷对其表面进行修饰,使表面由超亲水变成了超疏水,接触角达到了156°,滚动角小于10°。用扫描电镜、接触角测量仪、X射线衍射仪等技术对超疏水表面进行了表征和分析。X射线衍射分析表明,铜表面的片状结构为氧化铜。扫描电镜对铜表面形貌观察显示,温度、反应时间对表面的形貌影响比较大。片状结构之间的空隙和低表面的修饰是导致超疏水性能的主要原因。将铜超疏水表面放在不同高度的水底一段时间,取出后对其接触角进行测量,结果发现超疏水性能消失,接触角变小。     

超亲水/水下超疏油膜功能材料及其研究进展

含油污水,特别是油/水乳液的分离是世界性的挑战。膜分离法由于具有分离效率高、能耗低、易于操作等特点,在油水分离领域具有较大的优势。超亲水/水下超疏油材料是"除水型"特殊润湿性材料,与超疏水-超亲油网膜相比,超亲水/水下超疏油膜在对抗有机污染和生物污染方面更具优势。超亲水/水下超疏油膜在处理含油污水过程中面临的主要问题有化学稳定性及膜污染。膜污染会导致分离效率及过滤通量下降等问题,缩短膜的使用寿命。因此,解决滤膜污染问题对污水处理至关重要。目前超亲水/水下超疏油材料改性的重点主要有三方面:提高过滤通量、抗污能力及设计合适的孔径。许多研究人员通过对疏水性基材(聚合物膜、金属筛网)进行改性以增强膜的亲水性和抗污性能,并取得了丰硕的成果。目前,聚合物膜改性方法主要分为基体改性和表面改性两种。基体改性即通过接枝共聚或共混等方法对膜进行亲水改性,然后将改性后的膜材料用于膜制备。表面改性是指对商业滤膜表面接枝极性单体或亲水单体。金属筛网常用的改性方法有化学刻蚀、表面涂覆、电化学沉积等。通过改变膜表面的化学组成和粗糙度调控滤膜的超润湿性能,从而提高膜的亲水性、分离效率和抗污性能。为了响应处理工业溢油及保护环境的要求,迫切需要开发具有高分离效率、高选择性和高稳定性的新型分离材料和技术,以应对日趋复杂的油水分离环境。本文以分离油水混合物及油水乳液的滤膜材料作为研究体系,首先介绍了超亲水/水下超疏油表面的理论基础及其构筑机理,然后从不同基材的角度介绍了油水分离功能材料的制备工艺及改性方法。本文全面综述了超亲水/水下超疏油金属网膜、聚合物膜材料和基于纳米材料的新型功能分离膜的研究进展,从润湿性、过滤通量、分离效率、抗污性能等方面综合评估了油水分离功能膜的性能,最后总结和展望了油水功能分离膜未来的发展趋势。     

TiO_2/SiO_2非晶复合薄膜的超亲水性能研究

自制靶材,采用射频磁控溅射法制备超亲水TiO_2/SiO_2非晶复合薄膜,用XRD、AFM、XPS、液滴形状分析仪等方法进行表征。研究了溅射气氛、射频功率以及溅射时间对薄膜亲水性能的影响,并探讨了TiO_2/SiO_2非晶复合薄膜的超亲水机理。结果表明,Ti、Si元素进入薄膜晶格,在TiO_2/SiO_2薄膜界面形成Si—O—Ti键,约为22.4%;Si—O—Ti键的形成增加薄膜表面酸性,提高薄膜表面羟基含量,使薄膜具有超亲水特性。     

表面形貌对润湿性及抗附着性能的影响

为研究表面形貌对表面润湿性和抗附着性能的影响,采用激光刻蚀技术制备点阵微结构和仿生贝壳表面网格微结构,将SiO2纳米粒子涂覆在微结构上制备微纳结构。研究表明,Ti6Al4V合金表面经激光刻蚀后由亲水变为超亲水状态。经低表面能修饰后,点阵微结构表面符合Wenzel模式的疏水状态,而网格微结构表面符合Wenzel模式的超疏水状态。在点阵和网格微结构上涂覆SiO2形成微纳结构表面均符合Cassie模式的超疏水状态,且网格结构表面的接触角更大,滚动角更小。浅海挂板实验显示,微生物粘膜附着量由多至少的顺序为:超亲水状态的点阵微结构表面亲水的抛光表面超亲水状态的仿生网格微结构表面符合Cassie模式的超疏水表面。     

钛种植体表面润湿性控制的实验研究

首先用喷砂酸蚀法对钛种植体表面进行粗化处理,制备出具有微米-纳米双微观孔洞结构的超亲水表面.然后用等离子体氧化的工艺,制备具有超亲水性能的氧化钛表面,发现表面亲水性能随自偏压的增加先减小后增加,随处理时间的增加而减小.在360 V自偏压、20 min处理时间和1ml/min(标准状态)氧气流量时能到超亲水效果的锐钛矿二氧化钛表面.最后尝试用十二烷基三氯硅烷和分子自组装法在粗糙的氧化钛表面制备疏水表面,最大角度可达120°,利用等离子体处理和紫外光照射成功实现了表面由超亲水到疏水之间的转换.     

超亲水-超疏油油水分离材料的研究进展

由于工业的快速发展及远洋石油泄漏事故的频繁发生,含油废水的处理成为当今一大热点问题。因此,迫切需要研究出一种高效、低成本、可重复使用的高性能油水分离材料。近年来,受荷叶自洁性、鱼鳞水下超抗油污、玫瑰花超疏水性等的启发,人们开发了大量的超亲油-超疏水型及超亲水-水下超疏油型油水分离材料,但这些材料还存在以下缺点:(1)由于材料的亲油性,其孔道易被油污堵塞,分离效率会大幅降低;(2)水的密度一般比油大,进行油水分离时,通常需要外加能量。随后,学者通过对材料表面化学成分及表面粗糙结构进行深入研究,开发出一种更先进的超亲水-超疏油材料,其具有隔油透水性,在处理含油废水时呈现出防油污、高通量、高效率、可重复使用的优点;此外,由于其具有亲水性,仅在重力作用下即可完成油水分离,具有重要的实际应用意义。根据表面能原理可知,超疏油表面往往也超疏水,因此要合成超亲水-超疏油材料十分困难。早期研究者认为有以下三种理论可以解释超亲水-超疏油表面形成的原因:(1)超亲水-超疏油表面是由极性液体与非极性液体在表面的润湿性差异实现;(2)水的作用力诱导表面分子重排;(3)油滴较大被表面疏油组分阻挡,水滴较小可穿透疏油层到达亲水区域。这三种理论的提出加快了超亲水-超疏油表面的研究进程,但并未形成系统的理论体系。近年来,研究者发现材料表面能由极性分量与色散分量组成,因此他们提出可以通过控制这两种因素来调控材料表面的润湿性。该系统理论的提出加速了超亲水-超疏油材料的发展,为未来该类材料的发展与设计提供了理论依据。本文首先介绍了超润湿的基础理论、油水分离机理,然后综述了超亲水-超疏油材料制备的四种理论,总结了近几年超亲水-超疏油材料的特点及在油水分离方面的应用。最后针对该领域存在的问题,提出了解决方法并展望了其未来的发展方向。     

消息报道

我国制备出可控超疏水超亲水可逆转换薄膜在中国科学院、国家自然科学基金委和科技部的支持下,中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室的研究人员成功制备出双响应可控超疏水与超亲水可逆转换材料。在前期工作中,该组研究人员在紫外响应超疏水-超亲水可逆“开关”研究中,利用水热法成功制备阵列的氧化锌纳米棒,实现了其超疏水表面的浸润性由超疏水向超亲水转变。同时通过表面原子转移自由基聚合方法,在基底上制备温度响应高分子的可逆开关(该项目已入选2004年度“中国十大科技进展新闻”)。在此基础上,该组研究人员成功制备了温度、pH值…     

超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控(Ⅱ)

超疏水表面因其优异的自洁排水性能可望在高科技领域和日常生活等方面有美好的应用前景。目前通过对荷叶表面微纳结构仿生已达到在亲水材料上制备超疏水表面的准商业化水平。然而,超疏水表面现有制备方法一般都工艺复杂和费用高昂,同时其超疏水性与其他材料性能很难相容,限制了其实际应用。对此,特别需要深入理论研究,优化设计表面微纳结构,同时充分利用外界作用调控其润湿行为,实现其在某些高科技领域的率先应用。针对超疏水表面研究的这些关键问题,重点评述了当前超疏水表面理论研究特别是表面几何设计方面的最新进展,总结了目前国内外制备超疏水表面的流行技术方法,进而讨论了利用外界作用调控超疏水行为的可能性。     

超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控(Ⅰ)

超疏水表面因其优异的自洁排水性能可望在高科技领域和日常生活等方面有美好的应用前景.目前通过对荷叶表面微纳结构仿生已达到在亲水材料上制备超疏水表面的准商业化水平.然而,超疏水表面现有制备方法一般都工艺复杂和费用高昂,同时其超疏水性与其他材料性能很难相容,限制了其实际应用.对此,特别需要深入理论研究,优化设计表面微纳结构.同时充分利用外界作用调控其润湿行为,实现其在某些高科技领域的率先应用.针对超疏水表面研究的这些关键问题,重点评述了当前超疏水表面理论研究特别是表面几何设计方面的最新进展,总结了目前国内外制备超疏水表面的流行技术方法,进而讨论了利用外界作用调控超疏水行为的可能性.     

可见光诱导纳米TiO2超亲水薄膜的研究进展

纳米TiO2超亲水薄膜是最具应用潜力的自清洁材料之一，但由于其禁带宽度较大，只能被波长小于387nm的紫外光所激发，不能有效地利用太阳光中占绝大部分的可见光，使其实际应用受到极大的限制。因此研究开发可见光激发的纳米TiO2超亲水薄膜就成为该领域的关键课题之一。综述了近年来纳米TiO2薄膜的超亲水性机理的研究情况及影响亲水性的因素、实现可见光响应的改性方法，并对纳米TiO2超亲水薄膜的应用前景进行了展望。     

润湿性能对GF/EP复合材料表面摩擦磨损及微生物黏附行为的研究

通过对玻璃纤维(GF)/环氧树脂(EP)(GF/EP)复合材料的设计与加工,制得具有不同润湿性能表面的GF/EP复合材料。结果表明:可以通过对GF/EP复合材料表面微观结构及表面化学成分的调控来实现GF/EP复合材料表面的亲水、疏水及超疏水性能,GF/EP复合材料超疏水表面的摩擦系数为0.08,磨损量为0.12%;相比GF/EP复合材料亲水表面来说,绿脓杆菌在GF/EP复合材料超疏水表面的黏附量下降了20%左右,白色念珠菌下降了80%左右。     

亲水涂层对微通道换热器空气侧性能的影响

对微通道换热器进行了亲水表面处理,并对其性能进行了实验研究,分析了亲水处理对微通道换热器湿工况性能的影响。实验表明,亲水处理对换热器性能有利:与无涂层换热器相比,亲水处理换热器换热量最多增大7.0%,压降减小0.7%～18.9%。而随着翅片间距的减小和芯体厚度的增加,亲水处理带来的性能提升减弱。     

以丝网为模板量产聚烯烃超疏水/超亲水表面

以不锈钢丝网为模板,用热压微模塑方法制备了聚烯烃超疏水/超亲水表面。研究了热压温度对所制表面微观结构和超疏水性能的影响。考察了所得表面超疏水性的耐水冲击能力。结果表明,所制表面形成了均匀分布的微尖刺结构,并呈超疏水性能（接触角〉150°,滚动角5°）,但抗水压能力较弱,当水流动能稍大时（流速2 m/s、流量0.4 m3...     

超浸润性金属丝网的制备及工艺优化

为拓展三维丝网的应用,强化其微结构作用效果;通过采用直接氧化法和液相、气相沉积成功制备超浸润性Cu丝网(200PPI)。利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、接触角仪及高速摄像分别对丝网的结构、形貌及浸润性进行表征,并获得膜层的最佳制备工艺。结果表明:曲面丝线上的超亲水膜层呈现为单层微米尺度的刀片花结构,液滴在此表面上的铺展速率可达3.5m/s;经液相、气相沉积方法对其氟化处理后,超亲水丝网成功改性为超疏水丝网;并证明试样在96℃氧化液中氧化15min、液相沉积30min、180℃下热处理20min可获得大于150°的超疏水性能。     

聚丙烯微孔膜亲水改性及其对力学性能影响的研究进展

聚丙烯微孔膜因其比表面积大、性能优异、价格合理等优点而被广泛应用;但其亲水性差、易被污染,因此需要进行亲水改性。根据是否发生化学变化将亲水改性方法归纳为:物理法、化学法和物理化学法;改性之后膜的亲水性得到了改善。分类论述了各种亲水改性方法对聚丙烯微孔膜力学性能的影响及其对膜亲水性能的改善程度同时对亲水改性方法的改进进行了展望。