静电纺制备具有自清洁能力的仿生纤维膜的研究

【摘要】：固体表面与水接触角大于150°的表面称之为超疏水表面。超疏水材料在社会生产各个领域和人们日常生活中都有着广泛的应用前景,也吸引了科研领域的广泛关注。制备超疏水表面的方法有很多。归纳起来,目前公认的是从两方面入手：一是使用低表面能物质修饰材料表面；二是改变具有疏水性质材料的表面结构,提高其表面粗糙度。由于PS本身具有较低的表面能,所以本课题从改变材料表面结构以增加粗糙度入手。 自然界中有很多生物的自清洁结构可以为超疏水研究提供借鉴,这其中荷叶和银泽菊叶便是典型的例子。两种植物具有不同的结构特点：荷叶表面具有微米、纳米级的粗糙结构,银泽菊叶表面具有微米、纳米级的褶皱的沟槽。这些微米结构与纳米结构相结合的阶层结构都保证了叶片表面的高粗糙度,也使其具有超高疏水角。本课题的目的既是将荷叶和银泽菊叶的特点合二为一,制备出仿生的超疏水纤维膜。 本课题通过静电纺丝技术一步法制备出仿荷叶、仿银泽菊叶的PS-Silica超疏水纤维膜。在静电纺丝过程,射流快速发生相分离,PS-Silica复合纤维表面呈现出纳米级小突起与褶皱状沟槽相结合的形貌特征,这集中体现了荷叶和银泽菊叶的形貌特征。在这当中,二氧化硅纳米颗粒的加入起到了决定性作用。添加14.3wt%二氧化硅纳米颗粒的PS-Silica复合纤维的静态接触角达到157.2°,这一数值超过了自然界中银泽菊叶的147°并接近于荷叶的160°的疏水角。纤维膜之所以取得高超的疏水性能,是因为分层级的表面结构提高了表面粗糙度,使之可以蓄积更多的空气来阻止水滴对纤维表面的浸润。 本课题通过场发射、接触角、原子力显微镜、红外等测试对样品进行表征,并引用Wenzel和Cassie理论进行分析。本课题对于影响纤维形貌的因素做了研究,认为用静电纺丝方法制备的PS-Silica纤维的表面粗糙度是由溶剂配比和颗粒组成所共同决定的。 另外,本课题将此方法推广到PMMA,用一步法制备出疏水性能显著提高的PMMA-Silica复合纤维膜。 【关键词】：超疏水 静电纺 仿生
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ340.7
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 前言11
• 1.2 自然界中的超疏水现象11-13
• 1.3 超疏水的理论基础13-17
• 1.4 超疏水表面制作技术17-22
• 1.5 静电纺丝技术22-26
• 1.6 课题的研究目的和内容26-28
• 第二章 PS-Silica/PMMA-Silica纤维膜的制备及表征过程28-33
• 2.1 原料、试剂和设备28
• 2.2 纺丝溶液28-29
• 2.3 静电纺丝实验条件和纺丝过程29-30
• 2.4 测试、表征所需的仪器30-33
• 第三章 静电纺PS-Silica纤维膜的润湿性能及分析33-55
• 3.1 PS-Silica纤维膜的形貌特征33-41
• 3.2 PS-Silica纤维膜的疏水性能41-46
• 3.3 PS-Silica纤维原子力显微镜测试结果及分析46-52
• 3.4 PS-Silica纤维膜的化学组成52-53
• 3.5 有关超疏水的模型分析53-55
• 第四章 静电纺PMMA-Silica纤维膜的润湿性能及分析55-58
• 第五章 结论与展望58-60
• 5.1 结论58
• 5.2 展望58-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士期间科研成果65-66
• 致谢66

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