TiO-,2-表面納米構(gòu)筑、超親水-超疏水性及微圖案化技術(shù).pdf

1、浸潤性是固體表面的重要特征之一，它是由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定的。TiO2表面超親水/超疏水性由于其重要的理論研究和廣泛的實際應(yīng)用價值引起人們的特別關(guān)注。雖然對表面超親水/超疏水性已開展了大量的相關(guān)研究，并制備出了不少性能優(yōu)異的超親水/超疏水性表面，但仍面臨許多難題和挑戰(zhàn)，亟待深入研究。譬如，如何在低表面能物質(zhì)表面構(gòu)建具有特殊微觀幾何形狀的粗糙結(jié)構(gòu)?如何可控構(gòu)筑表面納米結(jié)構(gòu)-水接觸角-表面粘滯力相關(guān)聯(lián)的功能材料?如何基于超親

2、水/超疏水特性模板建立表面微-納米圖案化技術(shù)?超疏水表面與水滴之間粘滯力的本質(zhì)原因及表面作用機(jī)理，以及進(jìn)一步探索TiO2納米結(jié)構(gòu)膜及其表面超親水/超疏水性在高科技領(lǐng)域新的應(yīng)用等。本論文針對上述研究熱點(diǎn)，試圖對TiO2納米表面構(gòu)筑、構(gòu)一性關(guān)系、超親水/超疏水的作用機(jī)理及新的應(yīng)用探索開展系統(tǒng)、深入及創(chuàng)新性的研究。 基于毛細(xì)管誘導(dǎo)效應(yīng)和粗糙結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)理論，本論文首先設(shè)計出納米孔、納米管和無序海綿狀結(jié)構(gòu)的三種具有顯著粘滯力差異的超疏

3、水納米結(jié)構(gòu)模型。在制備方法上側(cè)重發(fā)展電化學(xué)陽極氧化方法，直接在鈦金屬表面制備結(jié)構(gòu)和性能(粘滯力)可控的超疏水TiO2納米結(jié)構(gòu)膜層，成功構(gòu)筑了類“壁虎腳”和類“荷葉”兩種對水滴具有顯著粘滯力差異的超疏水性納米表面，并深入探討了具有顯著粘滯力差異的超疏水特性的本質(zhì)機(jī)理。利用表面分子層自組裝和光催化技術(shù)，成功地實現(xiàn)超親水和超疏水微單元在同一表面的有序集成，首次獲得超親/超疏水微圖案模板，由此制備了一系列新穎的圖案化納米功能材料，進(jìn)一步拓展了超

4、親水/疏水性表面的應(yīng)用前景。主要研究進(jìn)展及成果如下： 1.應(yīng)用電化學(xué)陽極氧化法，制備出具有納米孔、納米管和無序海綿狀結(jié)構(gòu)的三種特殊納米結(jié)構(gòu)的粗糙膜層。在此基礎(chǔ)上結(jié)合分子層自組裝技術(shù)獲得具有類“壁虎腳”以及類“荷葉”性能的超疏水性膜層。利用高敏感性微電力學(xué)天平測量水滴與超疏水納米結(jié)構(gòu)膜表面之間的粘滯力，結(jié)果表明，納米孔膜表面與水滴之間的粘滯力可高達(dá)76μN(yùn)，而海綿狀膜表面與水滴的粘滯力僅為5μN(yùn)。實驗證明，通過調(diào)節(jié)表面結(jié)構(gòu)形貌，即

5、調(diào)控固液界面的接觸方式和開放或封閉體系中氣體比例，可實現(xiàn)表面水滴粘滯力的設(shè)計和可控。研究發(fā)現(xiàn)，納米管陣列膜層表面粘滯力不僅受納米管尺寸的影響，還與納米管的長度有關(guān)系，這主要?dú)w因于納米管封閉體系中的氣體體積變化而產(chǎn)生的壓力差。研究結(jié)果對于發(fā)展具有可控的表面疏水性和粘滯力功能納米材料有重要意義。 2.通過在氟硅烷(PTES)溶液中加入一定濃度的硝基纖維素(0-0.02 mg/mL)進(jìn)行表面自組裝修飾，通過膜層表面的化學(xué)組分顯著調(diào)控超

6、疏水表面的粘滯性，提出表面高粘滯力產(chǎn)生的本質(zhì)機(jī)理：(1)自組裝膜層有序度的降低，使海綿狀納米結(jié)構(gòu)膜層與水滴的接觸面積增大，從而提高水和海綿狀納米結(jié)構(gòu)間的范德華力；(2)自組裝膜層中含有的硝基，可與水中的羥基進(jìn)一步形成作用力強(qiáng)的分子間氫鍵，從而大大增加了超疏水膜層與水滴的粘滯力。 3.通過膜層表面分子自組裝獲得具有超疏水特性的ZiO2納米管膜層，并利用光掩模板選區(qū)光催化技術(shù)，使表面光照射區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，而被光掩模遮蓋區(qū)域保持超疏

7、水特性，從而成功地實現(xiàn)了超親水和超疏水微單元在同一表面的有序集成，首次獲得性能穩(wěn)定的超親/超疏水微圖案模板，為進(jìn)一步發(fā)展圖案化的微一納米功能材料奠定了重要的基礎(chǔ)。 4.利用超親/超疏水浸潤性微模板，通過濕化學(xué)刻蝕法或二次電化學(xué)陽極氧化法，獲得各種表面微一納米結(jié)構(gòu)雙階圖案。結(jié)果表明，通過電化學(xué)陽極氧化法、表面分子自組裝及光掩模板選區(qū)光催化技術(shù)制備的超親/超疏水浸潤性微模板，可發(fā)展成為一種很有應(yīng)用前景的表面微加工替代技術(shù)，并具有實用