铜基超疏水表面的制备及其性能研究

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自然界中存在许多如荷叶、水黾等具备超疏水性能的动植物。仿照这些生物表面的微观结构制备出具有超疏水性能的材料,对提高材料的性能及应用范围具有重要的理论与实际意义。本文首先综述了自然界中存在的部分超疏水现象、超疏水表面的制备方法及其应用和固体表面润湿性及其理论模型等内容。其次,采用电沉积法在纯铜试样上制备超疏水表面,探讨了电沉积过程中各因素对该表面润湿性的影响,包括电沉积液成分(主盐浓度、低表面能物质、络合剂)和电沉积工艺(电沉积时间、阴极电流密度、电沉积温度、电沉积液pH、阴阳极相对面积比);利用接触角测量仪对电沉积后的铜试样表面进行静态接触角测量;利用扫描电子显微镜观察电沉积后的铜试样表面的微观形貌。最后,利用傅立叶变换红外光谱仪、EDS及X射线多晶衍射仪对铜基超疏水表面镀层进行成分及物相分析;利用数码相机、恒电位/恒电流仪及盐雾腐蚀试验箱研究制得的铜基超疏水表面的自清洁性能、黏附性能、耐腐蚀性能和在空气中的稳定性能。通过系统研究,本文得出如下重要结论:(1)用电沉积法制备铜基超疏水表面是可行的,以“接触角”为主要指标,得到了较佳的电沉积制备工艺。(2)电沉积法制备铜基超疏水表面的最优参数如下:主盐CuSO4溶液的浓度为0.143mol/L,低表面能物质选择棕榈酸,电沉积时间t=10 min,阴极电流密度i=0.8446 mA/cm2,电沉积温度T=20℃,电沉积液pH=2;另外,电沉积液中分别加入络合剂酒石酸、酒石酸钠、柠檬酸、柠檬酸钠、EDTA、EDTA-2Na和水杨酸的饱和溶液并不能去除镀液中的蓝白色絮状沉淀,需要探讨更合适的络合剂。(3)傅立叶变换红外光谱仪、EDS和X射线多晶衍射仪测试结果表明:低表面能物质棕榈酸(C16H32O2)成功地附着在铜试样表面上;铜元素是铜基超疏水表面镀层的主要元素;铜试样表面镀层的主要成分为面心立方结构(FCC)的金属铜(Cu)晶体,优先沉积在(111)晶面上,且晶体的结晶度较好。(4)制得的铜基超疏水表面具有良好的抗黏附性能、自清洁性能,且在空气中的稳定性能良好。恒电位/恒电流仪及盐雾腐蚀试验箱测试结果显示:该铜基超疏水表面处于盐雾环境中在一个星期内仍可保持完好,但在去离子水和3%NaCl溶液中没有对铜基体起到保护作用。
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