以無機金屬為基體的疏水表面制備.pdf

1、超疏水表面的應(yīng)用價值是不可限量的，但是目前制備高機械性能、耐腐蝕性表面還存在很大的難度。本論文參考了大量的文獻工作，以無機金屬材料為基體，進行了表面疏水材料的制備。主要開展了電沉積法制備硬脂酸表面、電沉積法制備氧化鈰疏水表面、水熱法制備片狀Co3O4/Al疏水表面和水熱法制備Co3O4/泡沫鎳疏水表面等工作的研究，通過改變實驗條件，考察了表面形貌對疏水性、機械性能和腐蝕性的影響。主要結(jié)論如下:
　　(1)采用電沉積方法在鋁板表面構(gòu)

2、筑了CeO2-硬脂酸/Al疏水表面。FT-IR分析結(jié)果表明經(jīng)過電沉積處理，在鋁板表面成功沉積得到了硬脂酸涂層;SEM分析表明沉積表面主要存在著兩種形貌:定向生長的乳狀凸起和“中間凹，周邊凸”的片狀結(jié)構(gòu);EDS分析表明沉積表面不同形貌對應(yīng)元素含量存在較大的差異，說明在沉積過程中，電解質(zhì)中的不同組分存在選擇性的生長;建立了四因素、三水平(L934)的正交試驗，考察了電沉積過程中硝酸鈰濃度、硬脂酸濃度、電沉積電壓以及電沉積時間等因素，并對實驗

3、結(jié)果進行了SEM測試和WCA測試，研究了電沉積表面的形貌與接觸角之間的關(guān)系。SEM測試結(jié)果表明電沉積過程中鋁板表面會形成了不同的形貌，主要以針狀結(jié)構(gòu)和乳狀凸起為主。根據(jù)不同樣品的原料配比可知，硝酸鈰濃度越高，越有利于形成針狀結(jié)構(gòu);硬脂酸濃度越高，表面越有利于形成乳狀凸起結(jié)構(gòu);當(dāng)這兩種原料的濃度均較高時，表面趨向平整，并伴隨有一些裂紋存在;通過正交試驗研究了各實驗因素對實驗結(jié)果的影響，由極差分析可知，各影響因素對接觸角的影響如下:硝酸鈰濃

4、度＞電沉積電壓＞電沉積時間＞硬脂酸濃度。最佳制備條件為:0.02mol/L硝酸鈰，0.15mol/L硬脂酸，沉積電壓10V，沉積時間40min。在最佳制備條件下，接觸角可達131°。
　　(2)通過電沉積方法制備了氧化鈰/Ni疏水表面，對疏水表面的組成、形貌以及機械性能進行了考察。XRD測試表明電沉積后載體表面有氧化鈰的沉積;通過SEM發(fā)現(xiàn)沉積后表面存在著很多的缺陷，在超聲處理5 min后表面負載物大量脫落，這也說明材料的機械性能

5、有待進一步的提升;采用三種不同的載體進行了氧化鈰的電沉積，簡單考察了載體對表面疏水性的影響。其中，泡沫鎳的疏水性最好(接近140°)，金屬Ni-Al合金網(wǎng)的疏水性其次(約為120°)，壓平泡沫鎳的疏水性最差(僅為115°)。這些結(jié)果說明了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)載體對疏水性的構(gòu)筑是有利的，這與Cassie模型是吻合的。同時，這些結(jié)果也表明單純無機物改性可以獲得疏水表面，但仍未達到超疏水的水平。采用了硅膠浸漬法和磷酸鋅浸漬法來提升負載物與載體間的結(jié)合力，

6、對處理后的機械性能進行了考察。實驗結(jié)果表明，硅膠浸漬處理不僅可以提高負載物與載體間的結(jié)合力，還不影響載體的疏水性;而硫酸鋅處理雖然也可以提升負載物與載體間的結(jié)合力，但是會極大的影響載體的疏水性，其中壓平泡沫鎳經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，這也說明硅膠浸漬處理為更好的載體處理方式。
　　(3)采用水熱法合成了Co3O4/Al復(fù)合物，并對該復(fù)合物的組分、形貌進行了XRD和SEM表征。XRD測試表明經(jīng)過水熱處理，鋁板表面生成了α-Co(OH)

7、2，且經(jīng)過在500℃空氣中煅燒3h后，鋁板表面的α-Co(OH)2轉(zhuǎn)化成為了Co3O4; SEM測試表明較低的CTAB、較長的合成時間或較高的合成溫度均不利于合成規(guī)整形貌的片狀結(jié)構(gòu);而當(dāng)這些因素處于比較合適的范圍時，才能合成規(guī)整形貌的片狀結(jié)構(gòu);當(dāng)合成時間過長且原料濃度較高時，材料表面的大顆粒會大量堆積，導(dǎo)致材料表面的形貌十分粗糙，呈現(xiàn)不規(guī)整性;因此，各因素的合理調(diào)控對于表面形貌具有很大的影響;設(shè)計了四因素、三水平(L934)的正交試驗，

8、考察了硝酸鈷濃度、CTAB濃度、合成時間和合成溫度對材料表面形貌的影響。對制備得到的Co3O4/Al復(fù)合物進行PFAS疏水改性，并進行了接觸角測試，探討了表面形貌與材料疏水性之間的關(guān)系;通過極差分析，各因素對疏水性的影響程度如下:合成溫度＞ CTAB濃度＞硝酸鈷濃度＞合成時間;最佳制備條件為:硝酸鈷質(zhì)量為1.2g，CTAB質(zhì)量為0.15g，水熱合成時間為18h，水熱合成溫度為100℃;最佳條件下接觸角為158°。對PFAS疏水改性后的載

9、體進行了機械性能測試。通過機械性能的測試發(fā)現(xiàn)，Co3O4與鋁板間的結(jié)合力較差，這可能是因為鋁板表面過于光滑，粗糙度不夠，不能為Co3O4提供牢固的生長位點而引起的。
　　(4)采用水熱法合成了Co3O4/泡沫鎳復(fù)合物，并對該復(fù)合物的形貌、組分進行了XRD和FT-IR表征。XRD譜圖表明燒制后α-Co(OH)2轉(zhuǎn)變?yōu)榱薈o3O4，F(xiàn)T-IR譜圖進一步證實了這個結(jié)論;設(shè)計了單因素試驗，考察了水熱合成時間和水熱合成溫度對材料表面形貌的影

10、響。在合成時間的考察中，隨著合成時間的增長，材料的接觸角逐漸增大，說明合成時間對接觸角有著很大的影響。從形貌上說，合成時間的延長有利于在平泡沫鎳表面形成良好的規(guī)整形貌。隨著合成時間進一步的延長，泡沫鎳表面生長的Co3O4生長為半花狀結(jié)構(gòu)，表面規(guī)整度提高，接觸角也明顯增大，變?yōu)?44°。當(dāng)時間增大到18h后，接觸角得到了進一步的提升，變?yōu)?56°，處于超疏水的范圍;繼續(xù)延長時間，花狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槠瑺罱Y(jié)構(gòu)，接觸角雖然略有下降，但仍處于超疏水;合

11、成溫度對接觸角的影響也比較大。適宜的溫度范圍內(nèi)，接觸角處于超疏水的范圍，溫度過高或偏低，接觸角都會明顯降低。對PFAS疏水改性后的載體進行了耐腐蝕性能測試，測試了耐腐蝕性能?？瞻着菽囋诮?jīng)過浸漬處理后，表面形貌破壞十分嚴(yán)重。接觸角也由最初的76°下降為33°、67°、58°。說明未經(jīng)負載和改性的泡沫鎳，耐腐蝕性能較差;與空白泡沫鎳相比，PFAS改性處理后，泡沫鎳的疏水性有了明顯的提升，但相比于未腐蝕前的102°，仍有了很大程度的下降，均