耐久自相似铜基超疏水材料的制备及强化

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:dan0030
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金属材料作为工农业生产和实际生活中应用最广泛的材料之一,具有无可替代的地位。其中铜及铜合金因其高导热导电性等优点,成为生产生活中消耗量极大的一种金属。然而,由于铜材极易被腐蚀的缺点,会使其机械性能和使用性能受损,这极大地阻碍了铜材的广泛应用。受自然界中超疏水现象的启发,科研人员探索出多种制备人工超疏水表面的方法,以期改善铜材的性能并扩大其应用范围。然而,由于大部分人工超疏水表面稳定性及耐久性较差,在一定程度上限制了超疏水表面在实际生活中的应用和发展。因此,如何制备具有长效耐久性的超疏水表面是国内外研究人员密切关注的课题。本研究通过简便环保的方法制备得到铜基超疏水材料并对该材料的表面润湿性、相结构、化学结构、表面微观形貌和抗压强度等进行了分析和表征。同时对铜基超疏水材料的长效耐久性、自清洁性、自相似性、可再生性等性能进行系统研究,并详细探究其机理,主要研究工作如下:(1)铜基超疏水材料的制备及强化:通过化学氧化法对铜粉进行改性处理,并经十六烷基三甲氧基硅烷对氧化后的铜粉进行疏水化修饰以制备铜基超疏水材料。测试表明该材料的表面接触角可达153.1°、滚动角小于5°。另外,通过酸刻蚀-糠醇强化的方法对铜基超疏水材料的强度进行提升,强化所得的铜基试样具有优异的疏水性能,抗压强度可达60 MPa。通过X射线衍射及红外光谱对不同处理步骤下铜粉的相结构及化学结构进行表征,结果证明:铜粉被氧化后,产生了CuO和Cu(OH)2两种氧化产物,疏水烷基长链成功组装在了铜粉表面。扫描电镜结果显示铜基试样表面具有微-纳米二维粗糙结构。抗压性能测试表明经糠醇强化的试样的强度远高于未强化的试样。(2)铜基超疏水材料的长效性和稳定性:不同水性液滴滴在铜基超疏水试样表面上均呈球形形态,表明材料的超疏水性能具有普适性。通过观察不同UV照射时长、不同pH液滴和放置10个月后表面润湿性的变化,结果证明铜基超疏水材料具有良好的耐紫外稳定性、耐酸碱性和放置稳定性。(3)铜基超疏水材料的自清洁性:所构建的铜基超疏水表面具有极小的滚动角,水滴在试样表面极易滚动并且能够带走试样表面铺覆的模拟污染物(如粉笔灰)。从而使铜基超疏水表面保持干净清洁,表明铜基试样具备优异的自清洁性能。(4)铜基超疏水材料的可再生性和自相似性:通过手指摁压、植物油污染、摩擦磨损等方法对试样的超疏水性能进行破坏,再将试样进行打磨后观察试样润湿性能的变化来考察其可再生性和自相似性。结果表明,新暴露的样品表面仍具有超疏水性能。此外,将试样破坏,观察到铜基试样内部具有与表面相同的结构和润湿性。这些结果表明铜基超疏水材料具备可再生性和自相似性。以上研究结果表明构建内外结构和性能一致的超疏水材料是提高人造超疏水材料长效耐久性的有效手段之一,这为设计能够应用于工农业生产的长效超疏水材料提供了一种新思路。
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