基于超疏水的Na-Mg-Al-Si体系微晶玻璃表面微纳米结构的构建及性能研究

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构建粗糙表面和低表面能修饰的方法是超疏水表面主要的制备方法。但是目前的超疏水表面的制备方法大都存在耗时、涉及到昂贵的仪器设备、实验过程繁琐、耐久性差,构建的粗糙表面容易被破坏等缺点,使得它在实际生活中很难大规模的应用。在这里我们利用微晶玻璃中的晶体来构建精细的三维微纳结构和低表面能修饰的方法制备了一种耐用的超疏水表面。在本文中,我们发现晶核剂的选取对晶体的形貌有很大的影响,进而影响浸润性的大小。我们以Cr2O3为晶核剂,霞石为基础微晶玻璃体系,构建了一种三维花状微米团簇的结构。采用差热分析(Differential Thermal Analysis,DTA)、X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、激光扫描共聚焦显微镜(Laser Scanning Confocal Microscopy,CLSM)、X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)和接触角测试等方法来表征样品结构和性能。研究了不同Cr2O3的含量对微晶玻璃表面的结构和浸润性的影响,同时研究了不同的热处理工艺和腐蚀条件对微晶玻璃表面粗糙度和浸润性的影响,确定最佳的热处理工艺和腐蚀条件,最后对超疏水微晶玻璃表面进行各种性能测试。结果表明,最佳的样品处理条件:掺杂Cr2O3含量为2.50%,热处理条件为680℃成核4 h和790℃析晶4 h,氢氟酸腐蚀浓度和时间分别为5 vol.%和30 s。在该条件下处理样品可得表面的平均粗糙度(Ra)为2.418μm,均方根粗糙度(Rq)可达2.810μm。经过FAS-17接枝后水的接触角(WCA)可达到170.3±0.1°,滚动角(SA)大约为2°。微晶玻璃表面结构是由连续不断的花状微米团簇组成,长度为2-15μm。大量花状结构自组装形成了花状微米团簇,而花状结构是由大量的霞石和镁橄榄石纳米晶体片自组装而成,纳米片长度为0.1-3μm,宽度为50-900 nm。这种特殊的微纳结构可以捕获高达98%的空气来降低固液接触面积和吸收大量的低表面能基团来降低表面能,使得表面呈现超疏水状态。花状结构的形成是因为Cr2O3引入促进了八面体结构的Mg Al Cr O4尖晶石相晶核的析出,八面体晶核为霞石和镁橄榄石的生长提供了更多的表面,使得霞石和镁橄榄石沿着八面体的八个外表面垂直地生长形成了三维花状的结构。样品表面具有优异的自清洁性能和耐强酸强碱性能,在强酸强碱溶液中浸泡48 h后WCA仍高达165°;此外,样品表面通过了4H铅笔硬度划痕实验,具有优异的机械耐久性;表面在经过数次的胶带剥离实验后WCA仍高达167°。
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