应用点击化学构筑仙人球状超疏水表面的研究

摘要

固体表面润湿性能是表征固体材料性质的重要参数,它由表面化学组成和微观拓扑结构共同决定。超疏水表面是指对水的接触角大于150°的固体表面。近年来,由于其在基础理论研究和自清洁、液体分析、微流控液体传输等方面的应用前景而受到了人们的广泛关注。自然界中存在两种典型的超疏水表面:一种是荷叶型的滚动超疏水表面,另一种是壁虎型的粘附超疏水表面。
　　 受对壁虎脚结构研究的启发,本文以14 nm纳米二氧化硅和300 nm二氧化硅为材料,采用点击化学这一化学合成领域强有力的工具并结合LBL自组装方法分别构筑了微纳双重粗糙表面。研究表明,纳米结构和纳米-微米复合结构对表面的浸润性能有着很大的影响。
　　 1.LBL自组装方法
　　 采用氨基修饰的单晶硅为基底,盐酸质子化后,首先在其表面静电自组装6层带负电荷的300 nm二氧化硅颗粒,构筑微米级的粗糙结构。然后用同样的方法,在其表面自组装1层14 nm二氧化硅聚集体,从而在微米粗糙结构上构筑纳米结构。500℃热处理后,在粗糙表面引入叠氮基团,然后通过点击反应将含氟的偶氮苯小分子修饰在其表面。对14 nm二氧化硅聚集体的自组装浓度及时间、表面结构和浸润性能进行了研究,得出了14 nm二氧化硅颗粒的较优自组装浓度和自组装时间,其接触角最大达到了145.0士1.5°。
　　 2.点击化学方法
　　 以300 nm端基炔修饰的二氧化硅为核,叠氮基修饰的纳米二氧化硅聚集体(或者多级结构)为壳,通过炔基和叠氮基的1,3-偶极环加成反应得到表面含叠氮基的多级结构。通过调节点击反应循环的次数,控制得到不同粒径和粗糙度的多级结构粒子,接着将其修饰到炔基修饰的单晶硅基底上,得到粗糙结构。然后通过点击化学方法将含氟的偶氮苯小分子修饰在其表面,对点击反应循环的次数、表面结构和浸润性能进行了研究,得到了稳定的高粘附力的超疏水表面(CA=151.6士1.5°)。
　　 最后,对点击化学制备的超疏水表面的浸润机理进行了理论分析,提出了仙人球状模型。研究表明,14 nm二氧化硅聚集体的引入构筑的仙人球状多级分层结构是产生高粘附力的关键因素。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 浸润性基础理论

1.2.1 接触角与Young氏方程

1.2.2 Wenzel和Cassie-Baxter模型及其转变

1.2.3 前进角、后退角和接触角滞后现象

1.2.4 滚落角与粘附力

1.3 超疏水表面的制备技术

1.3.1 LBL和胶体组装法

1.3.2 刻蚀和模板法

1.3.3 溶胶-凝胶法

1.3.4 电化学方法

1.3.5 气相沉积法

1.4 点击化学简介及在表面修饰中的应用研究

1.4.1 点击化学概念

1.4.2 点击化学的类型及特征

1.4.3 端基炔与叠氮基点击反应的原理

1.4.4 点击化学在表面修饰中的应用

1.5 课题研究目的、意义及思路

第2章 实验与表征

2.1 基本原理

2.1.1 粗糙表面设计

2.1.2 低表面能物质

2.2 药品与仪器

2.2.1 原料规格

2.2.2 原料精制与预处理

2.2.3 实验仪器及设备

2.3 含氟偶氮苯小分子的制备

2.3.1 4-羟基-4'-三氟甲氧基偶氮苯的合成

2.3.2 4-炔丙氧基-4'-三氟甲氧基偶氮苯的合成

2.4 LBL自组装构造毛刺结构及低表面能处理

2.4.1 硅表面的氨基化处理

2.4.2 硅片表面氨基的质子化

2.4.3 硅片表面组装次微米二氧化硅

2.4.4 硅片表面自组装纳米二氧化硅

2.4.5 粗糙表面的热处理

2.4.6 二氧化硅表面的氯烷基化

2.4.7 表面氯烷基的叠氮化

2.4.8 粗糙表面点击反应进行低表面能处理

2.5 点击化学构筑仙人球状结构表面及低表面能处理

2.5.1 硅表面的氨基化处理

2.5.2 硅片表面端基炔的引入

2.5.3 端基炔化次微米二氧化硅的制备

2.5.4 叠氮化纳米二氧化硅的制备

2.5.5 仙人球状粗糙结构的构筑

2.5.6 粗糙表面的构筑

2.5.7 粗糙表面点击反应低表面能处理

2.6 分析测试

2.6.1 偶氮苯小分子的核磁表征

2.6.2 二氧化硅表面接枝的红外分析

2.6.3 二氧化硅表面接枝的元素分析

2.6.4 接触角(CA)的测量

2.6.5 多级结构及粗糙表面的SEM表征

2.6.6 粗糙表面的AFM表征

第3章 结果与讨论

3.1 含氟偶氮苯小分子的合成

3.1.1 4-羟基-4'-三氟甲氧基偶氮苯的lH NMR表征

3.1.2 4-炔丙基氧-4'-三氟甲氧基偶氮苯的1H NMR表征

3.2 LBL自组装粗糙表面的结构和性能

3.2.1 LBL自组装粗糙表面浸润性能研究

3.2.2 LBL自组装粗糙表面的SEM分析

3.2.3 LBL自组装粗糙表面的AFM形貌分析

3.2.4 LBL自组装粗糙表面的热处理

3.3 点击化学构筑粗糙表面的结构和性能

3.3.1 二氧化硅表面接枝的红外分析

3.3.2 二氧化硅表面接枝的元素分析

3.3.3 点击化学构筑粗糙表面浸润性能研究

3.3.4 点击化学构筑多级粗糙结构的SEM分析

3.3.5 仙人球状粗糙表面的SEM分析

3.3.6 仙人球状结构粗糙表面的形貌AFM分析

3.3.7 稳定性分析

3.3.8 浸润机理分析

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢