TiO2超疏水膜的制备及影响因素

采用溶胶-凝胶法于金属基片上制备了TiO2膜,经表面修饰低表面能物质1H,1H,2H,2H-十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS)后,呈现良好的超疏水性能,通过实验优化确定了最佳实验条件,得到最佳TiO2超疏水表面,其与水的接触角达到173.7°。并研究了聚乙二醇(PEG)含量、TiO2纳米粒子含量和烧结温度和时间对超疏水性能的影响。     

等离子喷涂WC/Co疏水涂层

超疏水涂层的耐磨性是限制其应用的重要因素。利用等离子喷涂结合十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17)的表面化学修饰制备出接近超疏水的WC/Co硬质合金涂层。结果表明:涂层的静态接触角最高达到147°;随着喷涂功率的增加,涂层接触角略微有所增加;拉曼光谱和XPS分析表明,FAS-17链通过水解及缩合反应成功枝接到涂层的表面;激光共聚焦显微镜(LSCM)观察发现,涂层表面粗糙度Ra为7.9μm;通过等离子火焰氧化处理后,涂层表面新生成的氧化物为WO_3,它能够提高涂层的疏水性能。最后,通过砂纸摩擦试验发现,其疏水性涂层表现出良好的耐磨性;水滴冲蚀测试发现,涂层有一定的耐雨淋性能。     

高速微铣削构建疏水性铝合金表面

以蝉翅表面疏水结构为仿生对象,利用高速精密微铣削机床在铝合金表面构建柱状微阵列结构,对构建的柱状微阵列结构的微观结构、疏水性能和表面粗糙度进行观测,并对其疏水机理进行分析。结果表明:在本征接触角约为51°的光滑铝合金表面上加工微米级柱状微阵列结构可有效提高材料表面的疏水性能,未经化学修饰的表面接触角最高可达115°,实现了基于高速精密微铣削技术在金属材料表面上构建微观结构阵列,使材料表面润湿性由亲水向疏水的转变。     

两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究

目的 探究硅烷偶联剂对铝合金超疏水表面性能的影响。方法 通过化学刻蚀并结合硅烷偶联剂修饰,在AMS 4037铝合金上制备超疏水表面。首先,通过HCl/H2O2混合液对铝合金进行刻蚀,在其表面构造具有多级蜂巢状的微/纳复合结构,再分别采用硅烷偶联剂和含氟硅烷进行疏水改性。详细研究2种改性剂的浓度对刻蚀铝合金表面润湿性的影响。采用接触角测量仪对材料表面润湿性和表面自由能进行测试,通过扫描电镜、能谱仪、激光共聚焦显微镜对表面微观结构和化学成分进行表征。同时,对2种硅烷偶联剂修饰的铝合金超疏水表面进行液滴冻结时间、防覆冰及自清洁行为测试。结果 铝合金表面的疏水性并不总是与改性剂的浓度呈正相关。当改性剂的质量分数为0.5%时,经硅烷偶联剂修饰后其刻蚀表面的接触角为156.3°,但滚动角大于30°,而经含氟硅烷修饰后其表面的接触角可达164.4°,滚动角为6°。液滴在硅烷偶联剂和含氟硅烷修饰后的超疏水表面的冻结时间分别为37、45 s。结论 相较于硅烷偶联剂修饰的刻蚀表面,含氟硅烷改性后其表面能更低,疏水效果更好。相较于未处理的铝合金表面,经硅烷偶联剂修饰后铝合金超疏水表面可显著抑制液滴的冻结过程,具有更长的冻结时间和延迟覆冰的能力,并且含氟硅烷修饰后表面的防冰性能更佳。自清洁实验也证明经含氟硅烷修饰后的表面具有更好的自清洁性能,其表面的微小灰尘颗粒更易被带走。     

规则织构化硅片表面的制备及其润湿行为

采用感应耦合等离子体刻蚀技术实现了不同形状和几何参数的规则织构化硅片表面的构筑与制备。主要以三种典型的规则织构包括圆柱状、圆坑状和沟槽状表面为研究对象,系统考察了织构形状和几何参数对表面润湿行为的影响规律。研究结果表明:随着织构高度、深度和表面覆盖率的增加,规则织构化硅片表面疏水性能增强,规则织构化表面疏水性能随着表面粗糙度的增加而增强。不同的几何形貌对硅片表面接触角的影响强度是不同的,相对于柱状与沟槽状织构,坑状织构在较小的表面粗糙度时可得到较大的接触角。当表面的接触角均为101°时,坑状、柱状、沟槽状织构的表面粗糙度分别为16.2 nm,29.2 nm和70.2 nm。     

医用Ti-6Al-4V合金表面超疏水涂层的制备及生物学性能

采用微弧氧化技术和氟硅烷修饰在医用Ti-6Al-4V合金表面构建超疏水涂层。考察微弧氧化电压对涂层表面形貌及粗糙度的影响,分析微弧氧化和超疏水涂层的相组成及元素化学状态以探讨超疏水表面的形成机制。初步研究超疏水试样的细胞毒性和抗菌性能。结果表明,随着微弧氧化电压的增加,涂层的表面粗糙度增大,而显微结构均匀性在440V最佳。经疏水处理后,试样的表面粗糙度较微弧氧化试样有所下降,而接触角随着电压的增加而先增大后减小,在440 V时获得最大值154.9°。微弧氧化涂层主要由锐钛矿及少量金红石TiO2相组成,并含有大量的–OH和一些磷的化合物,而超疏水试样表面存在大量的CF3、CF2和Si-O基团。全氟辛基三氯硅烷通过水解和脱水反应将氟硅烷嫁接于微弧氧化涂层上而形成超疏水表面。超疏水试样属于1级无毒材料,其细胞增殖率与Ti-6Al-4V合金无显著差异。此外,超疏水试样还具有一定的抗菌性,相对微弧氧化试样,其抗菌率可达93.03%。     

超疏水泡沫铜的制备及油水分离应用研究

目的对泡沫铜进行超疏水改性,用于油水混合物的分离。方法以泡沫铜为基底,通过沉积法构筑花簇状Zn O晶体微纳米尺度的粗糙结构表面,并用十八烷基三乙氧基硅烷进行修饰,制备具有超疏水性能的泡沫铜。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、接触角测定仪表征超疏水泡沫铜的表面形貌、化学组成以及浸润性能,同时研究了其在油水分离中的应用效果。结果所制备的泡沫铜具有超疏水表面,接触角为150?,对不同油水混合物的分离效率达到95%以上,且具有良好的耐机械摩擦性。通过调节油水混合物酸碱性,超疏水泡沫铜对酸性和碱性油水混合物分离效率略有降低,经过30次连续分离,分离效率无明显降低,接触角仍保持在130?以上,具有良好的耐久性。结论通过原位沉积法在泡沫铜表面制备出Zn O晶体,并利用低表面能硅烷进行修饰,所得超疏水泡沫铜能够有效地分离不同种类的油水混合物,经历循环分离,效率无明显降低,对于油水混合物的大规模分离具有潜在的应用价值。     

电弧喷涂Zn-Al合金与硅氧烷自组装制备超疏水涂层

采用电弧喷涂技术在Q235钢板上制备了Zn-Al合金涂层,利用硅氧烷对其表面改性,得到具有超疏水特性的Zn-Al涂层。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、激光共聚焦蔡司光学仪、表面接触角仪(OCA20)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)研究了涂层表面形貌、疏水性能以及涂层材料与硅氧烷的结合机理。结果表明:当喷涂电压固定时,涂层表面的粗糙度随着送丝速度的增加先增大后减小;当送丝速度固定时,涂层表面的粗糙度随着电压的增大呈相同变化趋势。接触角随着Zn-Al涂层粗糙度的增加而增大,当粗糙度为12.457μm时接触角可增至151.06°,滚动角小于10°。自组装硅氧烷与涂层结合处理后表明结合机理是由硅氧烷水解后的羟基与基体的羟基通过脱水缩合而"生长"在Zn-Al涂层表面。     

基于PS模板的SiO2疏水膜制备与研究

目的 研究聚苯乙烯(PS)刮涂速率、溶胶提拉速率、催化剂和陈化对疏水膜的表面粗糙度、透过率和接触角的影响规律.方法 通过绕线棒刮涂和浸镀等工艺在玻璃基板上制备玻璃/聚苯乙烯/二氧化硅(Glass/PS/SiO2)膜系,热处理去除PS后,在表面涂覆氟硅烷(FAS),得到透明疏水膜.采用光学轮廓仪和场发射扫描电子显微镜检测PS刮涂效果、膜层表面粗糙度以及微观膜层形貌.采用分光光度计测量样品的可见-近红外光学透过率.采用接触角测试仪得到疏水膜的静止水接触角.结果 当绕线棒刮涂速率为2 cm/s,采用碱催化SiO2溶胶,提拉速率由60 mm/min增至180 mm/min时,膜层表面粗糙度依次减小,150 mm/min对应的表面粗糙度为0.0251μm,样品的水接触角为139°.当绕线棒刮涂速率为3 cm/s,采用陈化时间较短的酸催化溶胶,可以制备得到接触角为150.5°、波长为380～1100 nm、平均透过率为88.3％的疏水膜.结论 表面粗糙结构受PS刮涂速率、SiO2溶胶的提拉速率及其性质的影响.采用酸催化的低黏度SiO2溶胶涂覆于PS模板层,经过热处理和表面改性可以得到类蜂窝结构的SiO2疏水多孔膜.     

玻璃表面微结构的构建及其雾度和亲疏水性的调节

目的 提高蒙砂玻璃的雾度以及调控其表面的亲疏水性.方法 通过在酸蚀液中添加不同浓度的KCl,可控调节蒙砂玻璃表面微纳结构,并利用光学轮廓仪对表面形貌和粗糙度进行表征分析.通过分光光度仪对蒙砂玻璃的雾度、透过率进行测试,并使用接触角测量仪对其亲疏水性进行分析评价.结果 通过调节酸蚀液中KCl的加入量,得到具有不同表面微结构及表面粗糙度的蒙砂玻璃.酸蚀液中KCl的加入,可以实现不损失玻璃透过率的同时,将蒙砂玻璃的雾度提高1个数量级,从4.23％提高至73.11％.酸蚀液中加入质量分数20％的KCl,可实现蒙砂玻璃表面较好的亲水性,接触角达20.9°,而玻璃原片的接触角仅为47.5°.在蒙砂玻璃表面涂覆十三氟辛基三乙氧基硅烷,100℃下热处理30 min,可实现蒙砂玻璃较强的疏水性,对水的接触角达到124.3°.结论 酸蚀液中加入KCl可以实现酸蚀蒙砂玻璃表面微结构的构建,并且通过控制KCl的加入量,提高蒙砂玻璃的透过率和雾度,实现较好的亲水性.用低表面能物质十三氟辛基三乙氧基硅烷成功对具有一定表面微结构的蒙砂玻璃进行修饰,将蒙砂玻璃由亲水性变为较强的疏水性.     

硅橡胶在积污过程中的润湿行为

利用静态接触角法、接触角滞后和HC喷水分级法对自然积污过程中的硅橡胶进行了表面润湿性研究,用粗糙度仪和扫描电镜对样片进行表征分析,研究发现:随着硅橡胶不断的积污,表面粗糙度越大,静态接触角随之也增大,接触角滞后变小,滞后由小到大的顺序是:S3(中污)S4(板结)S1(清洁)S2(轻污)。另外,积污后的硅橡胶表面的润湿特点跟润湿方式有关,如当静态水珠润湿其表面时,表现很好的憎水性,接触角可高达130°以上,当以强烈水流冲击其表面润湿时,表现憎水性较差,憎水分级多数为HC5-HC6。     

修饰不同微结构对疏水性表面浸润性的影响

目的研究修饰微结构对疏水性材料表面浸润性的影响并指导制备超疏水表面。方法基于有限元软件建立了水滴在修饰不同微结构的疏水性表面的润湿模型,通过水滴表观接触角衡量分析了疏水材料表面修饰单一粗糙结构和复合粗糙结构对疏水性提升的效果,利用硅树脂掺杂微粒制备了不同粗糙度的疏水性涂层,涂层固化后测试其实际接触角大小,并与仿真结果对比。结果仿真结果显示,对水滴接触角为100°的表面修饰单一粗糙结构后,由于微结构形成的凹槽滞留空气,阻碍了水滴在表面铺展,使得水滴在表面的接触角增大至133°。在原微结构基础上修饰更小一级的微结构后,水滴在表面的接触角达168°,材料表面达到超疏水效果。实验中,随涂层表面粗糙度的提升,水滴在表面的接触角逐渐增大,掺混两种微粒的疏水涂层固化后,表面形成复合微观结构,水滴接触角达162°,与仿真结果拟合较好。结论在疏水性表面修饰微结构可显著提升其表面疏水性,修饰复合结构后可达到超疏水效果,此方法可用于实际工程制备超疏水表面。     

聚四氟乙烯/Al3O2-TiO2复合涂层的制备及其疏水性能研究

目的 在铝合金表面制备耐磨、耐蚀、高结合强度的疏水涂层。方法 采用大气等离子喷涂(APS)在铝合金基体上制备AT(Al3O2-Ti O2)涂层,在AT涂层上采用溶胶-凝胶法制备聚四氟乙烯(PTFE)面层,借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、3D形貌仪、接触角测试仪等仪器对涂层的显微结构、成分、粗糙度、接触角进行表征。结果 喷距为120 mm、电流为680 A、送粉量为18 g/min的条件下,实心AT涂层和空心AT涂层表面粗糙度为6.99μm、6.13μm,孔隙率为5.88%、15.18%,硬度为945.82HV0.3、768.1HV0.3,与基体的结合强度为32 MPa、28 MPa,实心AT涂层与PTFE涂层的结合强度为19 MPa。实心PTFE/AT复合涂层与水的静态接触角最大可达130.9°,PTFE涂层表面含有氟化物和硅化物。结论 实心粉末AT涂层表面粗糙度较大,综合性能优于空心粉末AT涂层,因此,将实心AT涂层作为复合涂层的底层。实心PTFE/AT复合涂层具有与荷叶表面相仿的微纳米二元粗糙结构,具有良好的疏水性能,疏水性能与表面含氟物质的疏水基团以及低表面能的二元粗糙结构相关。     

OTS自组装单分子膜在玻璃表面功能化的研究

采用分子自组装技术在羟基化的玻璃基片表面成功制备了十八烷基三氯硅烷单层膜 (OTS-SAMs).运用接触角测试仪测定了水在自组装薄膜表面的接触角;用原子力显微镜(AFM)分析了OTS-SAMs的表面形貌,并对经过紫外线照射改性的OTS-SAMs薄膜表面进行分析.结果表明:该组装膜具有很好的疏水性,其对水的接触角高达105°;在组装初期2 min内,十八烷基三氯硅烷水解产物主要是与基体表面的羟基发生聚合反应,表现为岛状物结构团簇,随着组装时间的增加,基体表面的有机硅烷分子之间发生聚合反应,当组装15 min后,成膜过程趋于稳定,可以在基体表面形成平整致密的自组装薄膜;经过紫外线照射改性后的薄膜表面亲水性明显提高,在2 h时达到了很好的羟基化效果.     

Fabrication of patterned TiO2 thin film by a wet process

Hydrophobic/hydrophilic patterned TiO₂ thin film was successfully fabricated on a glass substrate by a wet process. A micro-nano complex structure with a high roughness was fabricated by a layer-by-layer selfassembly and liquid phase deposition (LPD) method. To fabricate superhydrophobic TiO₂ thin films, TiO₂ nanoparticles were deposited on the surface of (PAH/PAA) thin film by a LPD method and the surface of TiO₂ was modified by a hydrophobic treatment using fluoroalkyltrimethoxysilane. The RMS roughness and water contact angle of the prepared TiO₂ thin film were ca. 65.6 nm and ca. 155°. The superhydrophobic surface exposed to UV light changed to a hydrophilic surface by the photocatalytic property of TiO₂ to decompose a hydrophobic group. Finally, hydrophobic/hydrophilic patterned TiO₂ thin film with a 300 ??m dot size was fabricated. The surface morphology, transmittance, surface roughness and water contact angle of the prepared thin films were measured by a field emission scanning electron microscope, an atomic force microscope, a UV-Vis spectrophotometer and a contact angle meter.     

材料表面润湿性的影响因素及预测模型

目的预测不同材料表面和液体之间的润湿性能。方法选取9种不同板材以及14种实验液体,采用60—1200目砂纸打磨所有平板,得到具有不同粗糙度和表面能的实验材料。利用控制变量法,分别研究了液体表面张力、固体粗糙度和固体表面能对接触角的影响。然后进行了三因素十水平的均匀设计实验,并应用SPSS软件对实验结果进行了线性分析。结果在不同液体的作用下,随着表面张力的增加,接触角不断增大,其中蒸馏水的表面张力最大,为70.13 m N/m,其在三种材料中的接触角也最大。在具有相同粗糙度的材料表面,随着表面能的增加,接触角减小,固体表面能最大(67.72 m J/m2)时,接触角达到最小值,为25.1°。在具有相同表面能的材料表面,随着粗糙度的增加,接触角呈现两种相反的趋势:当θ90°时,随着粗糙度的增加,接触角不断增大;θ90°时,随着粗糙度的增加,接触角不断减小。通过均匀设计得到了接触角的预测模型,发现液体表面张力对接触角影响的权重最大,固体表面能次之,粗糙度最小。结论通过SPSS软件拟合得到了真实材料表面接触角与其影响因素的定量关系式,针对现场管材和液体的选型进行了理论指导,从而有效降低了输送过程中的阻力损失。     

基于溶胶-凝胶法制备PFTMS-SiO2有机-无机杂化超双疏涂层

针对超双疏涂层在建筑室内、外功能性家装领域的应用问题,采用溶胶-凝胶法,以正硅酸乙酯（TEOS）和甲基三甲氧基硅烷（MTMS）为共前驱体,结合1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷（PFTMS）改性制备了PFTMS-SiO₂有机-无机杂化超双疏涂覆液。当改性剂与正硅酸乙酯摩尔比达到0.3时,该涂覆液在玻璃、瓷砖、石材、水泥板表面形成的涂层均呈现超双疏特性,最高水接触角157.4°,正十六烷接触角142.6°,涂层附着力达到1级,耐洗刷试验1600次后仍保持良好超双疏性能。XPS结果表明,经过改性处理后的SiO₂链段上含氟基团相对含量达到了69.53%,在玻璃表面形成的超双疏涂层含氟基团相对含量为33.75%,涂层表面的平均粗糙度达到937 nm,说明了含氟基团的成功引入及表面凹凸不平的微观形貌共同构成了涂层表面的超疏性能。     

疏水/超疏水Ti合金表面液滴的运动特性

采用激光加工技术在Ti6Al4V合金表面构建点阵微结构,利用自组装分子膜技术在微结构表面沉积低表面能物质,制备疏水/超疏水表面。采用自制测试系统测试液滴在试样表面的静态接触角和滚动角,用高速摄像机拍摄液滴滴落到试样表面的运动过程。结果表明,经激光加工和低表面能修饰可构建Ti6Al4V疏水/超疏水表面,其最大接触角为151.4°,表面静态接触角随点阵间隔的增大而减小;液滴静态接触角与液滴滴落高度相关,同一表面上的液滴静态接触角由最后一次滴落高度决定。液滴滴落到水平试样表面的铺展系数由试样表面粗糙度和静态接触角决定,表面粗糙度和静态接触角越大,液滴铺展系数越小。当滴落高度从0 mm增大到20 mm时,铺展系数的增大幅度约为50%。     

电化学刻蚀法制备铝合金超疏水表面及其润湿性转变

目的通过简易环保的方法在铝合金基体上制备超疏水表面。方法采用电化学刻蚀和空气中保存法在铝合金基体上制备超疏水表面,用扫描电子显微镜、粗糙度测量仪和光学接触角测量仪对所得样品的微观形貌、表面粗糙度和润湿性进行分析。结果水滴在铝合金表面的接触角随着保存时间的增加而增大,电化学刻蚀所得超亲水表面逐渐表现出超疏水特性。12 d后表面趋于稳定,水滴在铝合金表面的接触角和滚动角分别为(152.3±4.5)°和(6.4±2.2)°。随着电化学刻蚀时间的增加,铝合金表面的润湿性减小。热处理可以使超疏水表面转为超亲水表面,在空气中保存后表面又恢复疏水性。结论试验所用中性环保的NaCl溶液作为电解液,极大地降低了试验对人体和环境的危害。并未使用有害的二次化学涂层作为表面能修饰材料,提高了试验的安全性和超疏水表面的稳定性。通过此简单环保的电化学刻蚀和空气中保存的方法成功地在铝合金基体上制备出了超疏水表面,所得表面展现出良好的疏水特性。     

表面处理对TC4钛合金-GF/PEI复合材料电阻焊接强度的影响

目的提高钛合金-复合材料电阻焊接界面强度。方法以不锈钢网、预浸料和树脂薄膜的组合结构作为界面植入体,利用脉冲电阻焊接技术连接钛合金和玻璃纤维增强聚醚酰亚胺(GF/PEI)层合板。对表面光滑的钛合金分别进行砂纸机械打磨以及H_2O_2/NaOH碱性混合溶液刻蚀处理,并通过能谱分析仪、扫描电子显微镜和静态接触角测试仪,分别对钛合金表面成分、形貌和粗糙程度进行分析。对表面处理后的钛合金和GF/PEI层合板进行电阻焊接,并对焊件进行单搭接拉伸剪切试验,以评估焊接头的强度。利用超声波扫描显微镜检测层合板内部损伤验证接头失效模式。结果通过机械打磨后的钛合金,表面粗糙程度增加,接触角从56.8°上升到84.8°。钛合金与PEI树脂的界面结合性能上升,使最大焊接强度提升187.0%。碱性混合溶液刻蚀后的钛合金,表面形貌随刻蚀时间(t_e)的增长呈现出不同的结构,并在刻蚀后期出现亚微米级的网络结构,同时伴随着表面接触角从56.8°上升到136.3°。钛合金表面的亚微米级网络结构与PEI树脂形成机械互锁结构来共同承担焊接头的力学性能,使最大焊接强度提升198.4%。接头失效分析显示,焊接初期接头的主要失效模式为钛合金板从界面处直接剥离;焊件强度达到最佳时,失效模式转变为植入体断裂。结论对钛合金进行机械打磨和刻蚀处理可以有效改善表面粗糙程度,从而提高钛合金-GF/PEI层合板的焊接头强度。