光/热驱动自修复超疏水材料的仿生构建及性能研究

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人造超疏水材料由于其具有特殊的浸润性,广泛应用于防腐、光热转换、抑菌、自清洁、油水分离等领域。但是在使用过程中,人造超疏水材料耐久性差,容易受到机械或化学破坏而导致材料表面超疏水性的下降,也因此影响了其实际使用。新的研究发现,通过设计具有自修复能力的超疏水性表面,可以更好地改善超疏水材料的耐久性,延长其使用寿命。所谓自修复超疏水材料,是指当材料表面的化学组成或表面结构受到到损伤时,材料在高温、相对湿度、UV、低p H值等条件下,低表面能物质迁移到材料表面或者表面微观构造的再生,进而使材料恢复了其超疏水特性。本论文主要采用仿生方法,仿照莲叶的表面构造和自修复机理,在纺织品表面或海绵表层制备上不同的自修复超疏水性涂层,并对其表面结构和特性进行试验表征。同时对不同自修复超疏水涂层的自修复原理和应用进行了探讨。具体内容如下:(1)选用商品化材料(例如:棉布,尼龙布,海绵)为基底,采用聚合沉积方法将多孔结构的聚多巴胺(PDA)沉积到基材表面。在整个制备过程中,多巴胺以三甲基苯、Pluronic F-127超声分散体系为模板,自聚合形成多孔结构基底;之后在碱性条件下和全氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTES)反应,使其沉积在PDA多孔结构中,从而形成光热驱动自修复超疏水抗菌涂层。通过对修饰后的自修复超疏水涂层进行了一系列表征:此涂层具有优异的光热性能和超疏水性能,并且在光照条件下可循环自修复其超疏水性能。据此我们对PFOTES/PDA制备的光热驱动自修复超疏水抗菌涂层的光热自修复机理进行探究,发现在光照条件下涂层中的低表面能物质PFOTES向表面迁移从而恢复其超疏水性能。同时以大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)为对象进行光热杀菌测试,发现在光照下超疏水涂层表面的E.coli和S.aureus被杀死。结果表明,PFOTES/PDA制备的光热自修复超疏水涂层具有良好的循环自修复性能,并且在光照条件下能杀死材料表面的细菌,具有良的光热杀菌性能。(2)选用商品海绵为基底,采用聚合沉积的方法将多巴胺盐酸盐和双(3-氨丙基)封端的聚二甲基硅氧烷(H2N-PDMS-NH2)聚合反应并沉积在海绵的表面。制备过程中,多巴胺(DA)与H2N-PDMS-NH2、Pluronic F-127超声分散的体系在碱性条件下反应,自聚形成H2N-PDMS-NH2/PDA颗粒,使其沉积在海绵表面,从而形成光热驱动自修复超疏水海绵。通过对修饰后的光热驱动自修复超疏水海绵进行一系列表征发现:此涂层具有优异的光热性能和超疏水性能,可在光照下循环恢复其超疏水性能。我们对H2N-PDMS-NH2/PDA光热驱动自修复超疏水海绵的光热自修复机理进行探究,发现在光照条件下,涂层中的低表面能物质H2N-PDMS-NH2在光照下向表面迁移从而恢复其超疏水性能。同时以正己烷和四氯化碳为对象进行吸油性能测试,发现超疏水海绵对正己烷和四氯化碳等都有着良好的吸油性能,而且自修复后的材料也具有相似的吸油能力。结果表明,H2N-PDMS-NH2/PDA修饰的光热驱动自修复超疏水海绵具有良好的循环自修复性能,并且具有良好的吸油性能。(3)选用棉布、聚酯纤维等纺织品为基底,采用超声聚合沉积的方法将植酸(PA)溶液和十八烷基三甲氧基硅烷(OTMOS)沉积在基材的表面。反应过程中以去离子水为介质,植酸、十八烷基三甲氧基硅烷为原料超声缩合沉积在基材上,从而形成透明自修复超疏水涂层。此方法用料环保、过程简单、反应时间短。对修饰后的超疏水材料进行一系列表征发现:此涂层具有良好的超疏水性能,良好的稳定性能,循环自修复性能。同时对透明自修复超疏水涂层的超疏水及加热自修复机理进行探究,发现在加热的过程中,涂层中的低表面能物质OTMOS迁移材料表面从而恢复其超疏水性能。与此同时,以正己烷(轻油)、四氯化碳(重油)为对象,对OTMOS/PA透明自修复超疏水涂层,进行油水分离性能测试,发现此涂层可以有效分离正己烷、四氯化碳,分离效率均在90%以上,且自修复后的材料也具有相似的效率。结果表明:透明自修复超疏水涂层具有良好的循环自修复性能,可实现油和水的有效分离,在油水分离领域有着可观的应用前景。
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