摘 要

具有自清洁作用的超疏水表面在社会生产生活中有着重要的作用，在防腐蚀、防雾、流体减阻等领域有着广阔的前景。目前的研究表明，超疏水表面的特性主要由固体的化学组成，与固体表面的微观形貌结合所决定，广大科研工作者们基于这两点制备超疏水表面。但目前的这些制备方法往往需要复杂的工艺流程与严苛的制备条件，不利于大规模生产。且若是应用于实际生活中，表面往往会被污染而失去超疏水特性。本文基于此点，采用一种简单的制备方法，以TiO₂和氟硅烷为主要原料，利用喷涂、刮涂、旋涂的多种简单成膜方式，在多种基质上制备出了超疏水表面，此超疏水表面同样可利用TiO₂的光学活性降解粘附其上的有机物，达到长久保持超疏水的效果。本文对制备超疏水表面的机理也作了一些探讨，为将来的研究提供可行的思路。

关键词：超疏水；二氧化钛；自清洁；光降解

Abstract

Superhydrophobic surface with self-cleaning property plays an important role in the social production and life，superhydrophobic surface has a broad prospect in the anti-corrosion, fluid drag reduction and other fields. Current studies have shown that the property of superhydrophobic surface of the solid surface is mainly determined by the chemical composition and the microstructure of the solid surface. Many scientific researchers are making super-hydrophobic surface based on these two points. However, either sophisticatedmethods or multi-step procedure or both are generally required in the process of preparing superhydrophobic surface，so it is difficult to apply in production and life. In addtion，if used in atmospheric condition, the surface can be polluted and lose superhydrophobic properties. In this paper, through a simple preparation method, superhydrophobic surfaces are prepared from TiO₂ and fluorosilane as the main raw material, using a variety of film forming method, consisted of spraying, scratch coating, spin coating, on a variety of substrates. This super-hydrophobic surface can also degradate the organics adhere to the surfaces through the optical activity of TiO₂, so the surfaces can maintain superhydrophobic properties in a long time. In this paper, the mechanism of super-hydrophobic surface is also discussed, providing a feasible idea for future research.

Key Words：superhydrophobic；TiO₂；self-cleaning；photodegradation

目录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1自然界中的超疏水现象 1

1.1.1荷叶 1

1.1.2水稻叶 2

1.1.3水黾 3

1.2液体浸润基本理论 3

1.2.1表面自由能 3

1.2.2接触角与Young’s方程 4

1.3仿生自清洁表面的制备方法 5

1.3.1使低表面能材料表面形成粗糙结构 6

1.3.2制备粗糙表面然后用低表面能材料进行修饰 7

1.4本课题的选题意义与主要工作 10

第二章 TiO₂超疏水结构 11

2.1引言 11

2.2实验部分 11

2.2.1实验仪器、试剂和材料 11

2.2.2 TiO₂的疏水改性 12

2.2.3 TiO₂超疏水表面的制备 13

2.2.4 TiO₂超疏水表面的形貌与性能表征 14

2.2.5 TiO₂表面的功能应用测试 15

2.3结果与讨论 15

2.3.1疏水改性TiO₂的表征 15

2.3.2 TiO₂超疏水表面的超疏水性能及微观形貌 16

2.3.3 TiO₂超疏水表面性能测试 18

2.3.4 TiO₂超疏水表面的功能应用测试 19

2.4本章小结 20

第三章 总结与展望 21

参考文献 22

致 谢 25

第一章 绪论

人类社会的进步与材料的发展密不可分，各种性能优异的材料促进了先进生产力的发展，使人们的生活得到改善，而社会的发展也同样离不开先进的材料，材料行业是社会中各个领域的发展基石，这些行业的发展亟需一些具有特殊功能的材料，使社会中其他的各个领域得到更多的发展。

1.1自然界中的超疏水现象

自古以来，自然界便是人类重大发明发现的灵感源泉。自然界中的生物经过几十亿年适应自然条件的过程，进化出了许多奇妙的现象，许多现代技术便是受到自然界具有特殊功能生物的启发而发展起来的。例如，早在文艺复兴时期，意大利学者达芬奇便认为人类可以模仿鸟类飞行，并绘制了扑翼机图，在此之后，自然科学有了很大的发展，能够实际工作的飞行器也被制造了出来，时至今日，随着各类先进理论的发展，人们已经制造出各类性能远超鸟类的现代飞行器。

具有自清洁功能的表面在大自然中也十分的常见，例如荷叶表面的自清洁特性；水稻叶表面和蝴蝶翅膀表面具有超疏水性的同时，具有滚动的各向异性等。这些自然界中的自清洁现象吸引了人们诸多的关注，下面简单介绍几种自然界中常见的超疏水结构。

1.1.1荷叶

莲花在中国自古就是纯洁的象征，有着“出淤泥而不染”的美誉，即使从很脏的淤泥中生长出来，也依然能保持清洁的表面，这种自清洁的效果被称之为“荷叶效应”，这种现象引起了研究者们极大的兴趣。1997年，Barthlott等人^[1]第一次揭示了荷叶表面超疏水的原因，他们认为，是因为荷叶表面微米级乳突形成的粗糙结构，以及表面蜡质晶体的协同作用导致的。而2002年，江雷课题组^[2]发现荷叶之所以呈现超疏水的性质，不止是因为其表面微米级的乳突结构，更是因为在这些微米结构上存在更小的纳米结构，这种微纳米的分级结构，是荷叶表面具有较大接触角和较小滚动角的根本原因，图1-1为荷叶表面的SEM图像，荷叶表面分布有直径5-9μm的乳突，图1b为荷叶上单个乳突的高分辨率图像，可以清楚的观察到，在单个如图上具有平均直径为124.3±3.2nm的纳米枝状结构，图1c中在乳突与乳突之间也同样发现了纳米结构。正是这种特殊的结构使得荷叶表面具有优异的超疏水性，荷叶表面结构的确定也为制备人造的超疏水表面提供了新的思路。