銅表面仿生結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其浸潤性調(diào)控.pdf

1、浸潤性是固體表面的基本性質(zhì)之一，主要取決于固體表面的微觀形貌和化學(xué)成分。近年來，受荷葉效應(yīng)的啟發(fā)，接觸角超過150°且具有低的接觸角滯后作用的超疏水表面受到了人們的廣泛重視。 迄今研究者們已經(jīng)發(fā)展了多種制備類荷葉仿生結(jié)構(gòu)的方法，如表面復(fù)制、溶膠-凝膠法、自組織技術(shù)、電沉積法、靜電紡絲、水熱合成、熱蒸發(fā)以及相分離等。然而，這些方法中，有的制備過程復(fù)雜、耗時(shí)費(fèi)工，有的需要價(jià)格昂貴的試劑。探索建立簡便有效且快速、價(jià)廉的適用于大面積制備

2、類荷葉仿生結(jié)構(gòu)的方法，并將其推廣應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，仍然是人們所面臨的挑戰(zhàn)。 在本論文中，我們報(bào)道了三種簡單方便的方法，在銅基底上分別制備了超疏水表面。 1、利用堿輔助的表面氧化技術(shù)，在銅基底上分別制備了Cu(OH)2納米管/柱準(zhǔn)陣列、Cu(OH)2納米柱準(zhǔn)陣列/CuO微球階層結(jié)構(gòu)以及牡丹花狀CuO，對其表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；同時(shí)，我們對這些結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。結(jié)果顯示：在NaOH和(NH4)2

3、S2O8反應(yīng)體系中，銅基底表面首先生成Cu(OH)2納米顆粒；Cu(OH)2納米顆粒繼而在基底上逐漸生長形成納米柱準(zhǔn)陣列結(jié)構(gòu)；隨著時(shí)間的延長，納米柱準(zhǔn)陣列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米管，最后被氧化為CuO納米片。與此同時(shí)，CuO微花狀結(jié)構(gòu)從本體溶液中沉積，從而形成納米柱/管/片與花狀微球共存的階層結(jié)構(gòu)。其反應(yīng)機(jī)理大致如下：Cu(OH)2納米柱的生長是一個(gè)在堿性溶液和氧化環(huán)境中的無機(jī)聚合過程。首先，金屬銅被氧化，形成的Cu2+和OH-形成扭曲的Cu-O

4、八面體，八面體之間連接形成片狀結(jié)構(gòu)；接著，這些片狀結(jié)構(gòu)通過氫鍵進(jìn)行堆積，形成Cu(OH)2納米顆粒和納米柱。在強(qiáng)堿性環(huán)境下，片層邊緣連接層與層之間的氫鍵被削弱，使得層內(nèi)存在應(yīng)力。在層內(nèi)應(yīng)力的作用下形成管狀結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，這些波紋狀的Cu(OH)2層狀結(jié)構(gòu)對氧不穩(wěn)定，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過3h后，由于層面間的氫鍵斷裂，Cu(OH)2納米管轉(zhuǎn)變成CuO納米片。 在上述粗糙結(jié)構(gòu)表面化學(xué)修飾硬脂酸(STA)或氟硅烷(PDES)后，表面的浸潤性發(fā)生

5、從超親水到超疏水的轉(zhuǎn)變。兩種修飾劑修飾的表面對水的靜態(tài)接觸角均超過150°，這可能與低表面能材料和表面粗糙結(jié)構(gòu)有關(guān)。相對于硬脂酸修飾表面，氟硅烷修飾表面對水滴具有更低的接觸角滯后和較低的黏著，這可能是因?yàn)榉柰楸扔仓峋哂懈偷谋砻孀杂赡芩隆?2、利用酸輔助的表面氧化技術(shù)制備了由Cu8(PO3OH)2(PO4)4·7H2O單晶組成的三維蜂巢狀多孔結(jié)構(gòu)，孔尺寸約為幾百納米到2微米，二維的納米片厚度為50～100 nm。在該結(jié)構(gòu)表

6、面修飾十八烷硫醇(ODT)或PDES后，對水的接觸角均大于160°。與ODT修飾表面相比，PDES修飾表面具有更低的接觸角滯后。 3、利用簡單的溶液浸漬法，通過銅箔與Cu(NO3)2的自組織生長過程，在銅基底上制備了Cu2(OH)3NO3微片陣列，研究了這種片狀結(jié)構(gòu)的生長過程。結(jié)果表明：在銅箔與Cu(NO3)2的反應(yīng)過程中，經(jīng)歷了生成Cu2O微晶的中間過渡階段。Cu2(OH)3NO3微片陣列進(jìn)行表面化學(xué)修飾后，可以實(shí)現(xiàn)超親水到超