本文關鍵詞：長效超疏水銅基材料的制備與性能研究

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【摘要】：銅具有高導電和導熱性、適宜的強度、易加工成形等優異性能而被廣泛地應用于日常生活和工業生產中。銅粉主要被用來制造摩擦材料、金剛石制品、電觸頭材料等。但是,銅在使用過程中會產生腐蝕,而將材料表面超疏水化能夠改善材料的耐腐蝕性能,并可以賦予銅基材料自清潔等性能。本研究采用兩種方案對銅粉進行改性,通過對兩種方案制備過程中的工藝條件進行優化最終制備得到了超疏水銅基材料,并對制備得到的超疏水試樣的相結構、化學結構、表面相貌進行了研究。此外,對兩種方案制備出的試樣的超疏水表面的長效性和穩定性、對于污染物的自清潔能力、以及超疏水性能的可再生能力進行了研究,并對機理進行了探討。主要研究內容和結果如下:(1)將銅粉先進行清洗,然后利用Na OH/(NH4)2S2O8以及硝酸銀將銅粉進行氧化,后通過十二烷基硫醇的乙醇溶液進行處理。最后,再通過壓制成型制備銅基超疏水材料(簡稱方案一)。通過單因素法考察了各個工藝條件的影響并得到最佳實驗工藝條件:當Na OH/(NH4)2S2O8的濃度分別為0.6 mol/L/0.26 mol/L、硝酸銀濃度為0.03 mol/L、十二烷基硫醇濃度為0.15 mol/L、浸泡時間為24 h、壓強為150 MPa時得到了接觸角為153.2°、滾動角為7°的超疏水銅基材料。通過XRD,EDS對超疏水試樣每一步驟下的銅粉的相結構和化學成分進行了分析,再通過FT-IR對十二烷基硫醇組裝前后的銅粉的化學結構進行分析,發現十二烷基硫醇的長鏈成功組裝到了銅粉表面。通過SEM觀察所制備超疏水試樣的表面形貌,可以發現,銅基材料表面呈現出類似手指狀的微米-納米二級粗糙結構,而單個手指狀結構的長度為1-3μm,寬度為60 nm左右。這種微觀結構及組裝的疏水烴基長鏈是銅基材料具有超疏水性能的根本原因。(2)將方案一中的制備方法繼續簡化,將清洗后銅粉僅采用硝酸銀氧化然后通過十二烷基硫醇改性,再通過壓制構建得到接觸角為155.2°、滾動角為5°的銅基超疏水表面(簡稱方案二)。采用單因素法得到的最佳工藝條件為:硝酸銀濃度為0.03 mol/L,十二烷基硫醇濃度為0.15 mol/L,浸泡時間為16 h,壓強為80 MPa。超疏水試樣通過XRD、FT-IR和EDS對不同處理方法下的銅粉的相結構和化學成分進行了分析,并利用掃描電鏡觀察了所制備的超疏水銅基材料的表面形貌,結果表明:超疏水銅基試樣表面存在大量的突起,這些突起構成了類似花菜狀的微米-納米二級粗糙結構,其上組裝了十二烷基硫醇長鏈,從而賦予這種銅基材料具有超疏水性能。(3)對制備的超疏水銅基材料的超疏水特性的長效性和穩定性進行了考察,發現制備的超疏水銅基材料放置10個月以上依然呈現出良好的超疏水性能,表明兩種方案制備的試樣具有長效穩定性。將兩種方案制備的試樣在蒸餾水中浸泡一個月后,方案一的試樣在20天內接觸角仍可達到150°以上,方案二則是15天。這說明兩種方案制備的超疏水試樣均具有良好的浸泡穩定性。此外,我們將不同p H的酸堿溶液滴在兩種方案制備的超疏水試樣上,發現當p H為3-14時兩種方案制備的銅基材料依然可以保持良好的疏水性能。(4)研究考察了所制備的超疏水銅基材料的自清潔性能和可再生性能。在超疏水銅基材料表面上鋪撒上煙灰和粉筆末并傾斜大約5°時,水滴滴在表面后會快速滾動并將污染物顆粒粘在水滴表面而帶離,從而使超疏水銅基材料表現出優異的自清潔性能。我們利用手指摁壓,在表面上滴上油對兩種方案制備試樣進行污染,經過打磨后,發現其都可以再次獲得超疏水性能,這表明兩種方案制備得到的試樣的超疏水特性都具有可再生性能。這是由于銅基材料內部和表面具有相同的結構與組成。
【關鍵詞】：銅粉 超疏水 長效性 自清潔 可再生
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB34
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-21
• 1.1 銅11-12
• 1.1.1 概述11
• 1.1.2 銅以及銅粉的性能特點及應用11
• 1.1.3 銅在使用過程中存在的問題11-12
• 1.2 超疏水表面12-18
• 1.2.1 超疏水表面簡介12-15
• 1.2.2 超疏水表面制備技術及研究現狀15-17
• 1.2.3 銅基超疏水表面的研究現狀17-18
• 1.3 超疏水材料的應用18-19
• 1.4 銅基超疏水材料在使用中存在的問題19-20
• 1.5 本課題的研究內容和意義20-21
• 2 氫氧化鈉/過硫酸銨/硝酸銀氧化-十二烷基硫醇修飾法構建銅基超疏水表面21-39
• 2.1 引言21
• 2.2 實驗部分21-25
• 2.2.1 實驗材料與試劑21
• 2.2.2 實驗儀器21-22
• 2.2.3 超疏水銅基材料制備方法22-23
• 2.2.4 試樣表征23-25
• 2.3 結果與討論25-38
• 2.3.1 NaOH濃度對銅基材料表面潤濕性的影響25-26
• 2.3.2 DM濃度對銅基材料表面潤濕性的影響26-28
• 2.3.3 DM的浸泡時間對銅基材料表面潤濕性的影響28-29
• 2.3.4 壓強對銅基材料表面潤濕性的影響29-31
• 2.3.5 不同壓強下壓制的銅基材料的抗壓強度與表觀密度研究31-32
• 2.3.6 處理方法對銅粉相結構及化學結構的影響32-36
• 2.3.7 銅基材料的表面形貌及潤濕性36-37
• 2.3.8 銅基材料表面超疏水機理37-38
• 2.4 本章小結38-39
• 3 硝酸銀氧化-十二烷基硫醇浸泡構建超疏水表面39-55
• 3.1 引言39
• 3.2 實驗部分39-41
• 3.2.1 主要實驗材料和儀器39-40
• 3.2.2 試樣制備方法40
• 3.2.3 試樣表征方法40-41
• 3.3 結果與討論41-54
• 3.3.1 硝酸銀濃度對銅基材料表面潤濕性的影響41-43
• 3.3.2 DM濃度對銅基表面潤濕性的影響43-44
• 3.3.3 DM浸泡時間對銅基表面潤濕性的影響44-46
• 3.3.4 壓強對銅基表面潤濕性的影響46-47
• 3.3.5 不同壓強下壓制的銅基材料的抗壓強度與表觀密度研究47-49
• 3.3.6 處理方法對銅粉相結構的影響49-50
• 3.3.7 處理方法對銅粉化學結構影響50-52
• 3.3.8 銅塊的表面形態和潤濕性52-53
• 3.3.9 銅基材料表面的超疏水機理探究53-54
• 3.4 本章小結54-55
• 4 銅基材料表面超疏水性能的長效性和穩定性研究55-61
• 4.1 引言55
• 4.2 實驗部分55
• 4.2.1 主要實驗材料55
• 4.2.2 銅基材料表面超疏水性能的長效性和穩定性測試方法55
• 4.3 結果與討論55-60
• 4.3.1 銅基材料表面超疏水性能的放置穩定性55-56
• 4.3.2 銅基材料表面超疏水性能的浸泡穩定性56-58
• 4.3.3 銅基材料表面超疏水性能對酸堿溶液的穩定性58-60
• 4.4 本章小結60-61
• 5 銅基超疏水表面的自清潔與可再生性能研究61-68
• 5.1 引言61
• 5.2 實驗部分61
• 5.2.1 自清潔性能測試方法61
• 5.2.2 可再生性能測試方法61
• 5.3 結果與討論61-66
• 5.3.1 超疏水銅基材料的自清潔性能測試61-63
• 5.3.2 超疏水表面的自清潔性能機理探討研究63-64
• 5.3.3 銅基材料表面超疏水性能的再生性能測試64-66
• 5.3.4 超疏水表面的可再生性能機理探討研究66
• 5.4 本章小結66-68
• 6 結論與展望68-70
• 6.1 結論68-69
• 6.2 展望69-70
• 致謝70-71
• 參考文獻71-75
• 攻讀學位期間的研究成果75

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