功能性超疏水膜的制备及应用研究

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由于具有独特的润湿性,超疏水表面在油水分离、自清洁、减阻、除冰等领域展现出巨大的应用前景。然而,随着现代工业的不断发展,单一功能的超疏水材料难以满足其在复杂乳液分离、无人驱动、传感器、光催化降解等新兴领域或严苛工作环境下的需求。因此,将超疏水性与可驱动性、导电性、非对称浸润性等功能相结合,对拓宽超疏水材料的应用范围具有重要的意义。基于此,本课题采用简单高效的方法制备了不同的功能性超疏水膜,并将其用于油水分离、乳液分离、光催化降解、智能驱动装置等领域。本论文的主要研究内容和结果包括以下三个方面:(1)以棉织物为基底,通过浸泡法在其表面反复沉积二氧化钛(TiO2)颗粒,再利用十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)进行疏水改性,最终制得超疏水分离膜。利用扫描电镜(SEM)和接触角测量仪(CA)分析浸泡次数对分离膜表面形貌和润湿性的影响。结果表明,随着浸泡次数的增加,膜表面的粗糙度增大,水接触角也随之增大。当浸泡次数为4时,膜的水接触角可达160.1°,并具有良好的自清洁性和抗水滴粘附性。此外,该超疏水分离膜可用于不同种类的油水混合物的分离,分离效率高,可循环性好,并对油红O具有良好的光催化降解能力。(2)以尼龙滤膜为基底,通过多巴胺的氧化自聚反应在膜表面沉积聚多巴胺(PDA),随后在膜表面原位生成银颗粒,最后通过化学不对称修饰法得到正面超疏水反面超亲水的Janus尼龙膜。通过SEM和CA分析尼龙膜在硝酸银溶液和抗坏血酸溶液中循环浸泡次数对其表面形貌和润湿性能的影响。结果表明,当循环次数为4时,Janus尼龙膜正面呈现超疏水性,水接触角为158.8°,并具有良好的自清洁性及抗水滴粘附性能;Janus尼龙膜反面呈现超亲水性和水下超疏油性。该Janus尼龙膜可同时用于油包水和水包油乳液的分离,具有分离效率高、可循环性好、适用范围广等优点,还能用于亚甲基蓝的降解和重金属离子的吸附。(3)首先通过溶液干燥法逐层组装碳纳米管/聚偏氟乙烯(CNTs/PVDF)层和壳聚糖(CS)层,接着在CS层表面喷涂二氧化硅/壳聚糖(SiO2/CS)混合溶液并利用氟硅烷(FAS)进行疏水改性,制得一种光驱动超疏水膜。通过SEM和CA对薄膜表面形貌和润湿性进行研究。结果表明,该薄膜表面具有明显的微纳米级粗糙结构,水接触角为165°,滚动角为2.8°,且薄膜具有良好的自清洁性、抗水滴粘附性和稳定性。此外,研究了薄膜在近红外光照射下的光驱动机理和驱动行为。结果表明,由于CNTs/PVDF层和CS层之间热膨胀系数的显著差异,加上CS层中存在水分子的吸收和解吸作用,薄膜在近红外光照射下向CS侧发生弯曲形变,并具有弯曲角度大、灵敏性强、重复性好等优点。最后利用薄膜的超疏水性、导电性和光驱动性,将其成功应用于电路开关和水滴操纵中。
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