摘要
超润湿表面在自清洁、抗污、防雾等方面具有重大应用价值，随着实际需求的多样化，近年来，超润湿表面的研究逐渐由单一超润湿性/单一功能向多重超润湿性/多功能发展，其中同时对油和水体现出截然不同超润湿性的表面被称为选择超润湿表面，由于这类表面可以对油水混合物实现高速、低能耗的分离，因此具有重要的研究意义和应用价值。选择超润湿表面主要分为超疏水/超亲油表面、超亲水/水下超疏油表面、超疏油/超亲水表面和刺激响应选择超润湿表面。其中，超疏油/超亲水表面是用于油水分离最理想的表面，然而，根据经典润湿性理论，疏油表面一般也疏水，因此这类表面很难构建和制备。刺激响应选择超润湿表面能够在超疏水/超亲油性与超亲水/水下超疏油性之间转换，从而克服单一选择超润湿性的不足，具有应用优势，但现有刺激响应选择润湿表面存在刺激手段可控性差、润湿性转换效率低等问题，使其应用受到限制。本文针对当前选择超润湿表面研究存在的理论及应用方面的不足，结合油与水各自的分子特性，对选择润湿表面的构造机理及油水分离性能进行了研究。 根据表面界面理论，推导出基于表面能色散分量与极性分量的选择润湿性方程，发现了固体表面能色散分量、极性分量与表面油、水润湿性之间的关系，揭示了选择润湿性的形成机理，并建立了基于纳米颗粒的选择超润湿表面理论模型。 利用含氟硅烷改性的二氧化钛（TiO2）纳米颗粒，制备了一种光响应超疏水/超亲油微纳复合结构，实现了紫外光照射及加热条件下表面润湿性在超疏水/超亲油与超亲水/水下超疏油之间的往复转换。通过研究氟碳链与TiO2对润湿性转换效率的影响，优化了含氟硅烷与TiO2纳米颗粒的比例含量，提高了复合结构的润湿性转换效率和使用寿命。通过将所构建的复合结构附着到不同基底上，实现了润湿性转换前后对不同类型油水混合物的有效分离。此外，基于TiO2的光催化效应，提出一种分离-净化的方法，在紫外光照射下，利用构建的网状复合结构实现了对水溶性染料的有效去除。 利用全氟烷酸与金属氢氧化物反应得到了全氟碳链-金属阳离子分子结构，通过调节全氟烷酸与金属阳离子的含量比例，实现了对表面能极性分量与色散分量的控制。通过研究表面能极性分量与色散分量对表面油、水润湿性的影响，对全氟碳链与金属阳离子比例进行优化，实现疏油/亲水性表面的构建，解决了疏油性与亲水性难以共存的问题。利用全氟碳链-金属阳离子分子结构对TiO2纳米颗粒改性，制备了一种超疏油/超亲水微纳复合结构，并提出一种胶粒-颗粒耦合方法，将此类复合结构的机械耐久性大幅提高。 面向实际应用，利用含氟活性剂改性后的TiO2纳米颗粒，制备了具有光响应特性的超疏油/超亲水复合结构。将所构建的复合结构附着到不同基底上，实现了超疏油/超亲水复合结构对不互溶油水混合物、水包油乳浊液和油包水乳浊液的高效分离。基于TiO2的光催化效应，在紫外光照射下，利用构建的网状复合结构实现了对油溶性苏丹红染料的有效去除。 综上所述，本文围绕油水分离应用背景，针对当前选择超润湿表面研究存在的共性问题，对选择润湿表面的构造机理及油水分离性能进行了研究，给出了基于表面能色散分量与极性分量的多重润湿性理论解释，为选择润湿表面的构建提供理论支持。在此基础上，提出了不同类型选择超润湿表面的构建方法，并制备了基于TiO2纳米颗粒的多功能超疏水/超亲油和超疏油/超亲水复合结构，利用复合结构自身的选择超润湿性以及TiO2的光响应特性，实现了复合结构对不同类型油水混合物的分离和油水净化，为复杂条件下油水分离以及污水处理提供了解决方案。
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