摘要
仿生超疏水材料具有防水、防冰、自清洁等独特性能，在日常生活、工业设备及武器装备等领域具有广阔的应用前景。耐久性是制约其应用的关键难题。此外，赋予超疏水材料多功能特性是拓展其应用范畴的重要途径。本论文以提升超疏水材料的耐久性为主要目标，针对不同的应用背景，设计并制备了三种典型形态的超疏水材料——超疏水纳米涂层、超疏水碳纤维复合材料以及超疏水多孔材料。对这三种超疏水材料的组成和结构进行分析，对疏水性能、力学性能和防除冰性能等进行了测试，并重点对材料综合耐久性及相关机理开展研究。本文研究内容主要包括以下三个方面： （1）反向浸渗工艺制备环氧基超疏水纳米涂层研究。以硅烷偶联剂Kh-560和全氟癸基三甲氧基硅烷为原料，对普通双酚-A型环氧树脂进行改性，得到疏水性环氧树脂，其接触角为101.3°。以合成的疏水改性环氧树脂和三氧化二铝（Al2O3）纳米颗粒为原料，设计了反向浸渗工艺，制备了高耐磨超疏水涂层。该涂层可耐受600次胶带粘度测试、20m砂纸摩擦测试（压力为5kPa、磨料为80目砂纸）或者1000g砂砾从30cm高处落下进行冲击。研究发现，该涂层机械耐久性大幅提升的主要机理为：①反向浸渗工艺有利于形成表面突出而坚固的微米柱状结构；②该工艺可在涂层底层形成疏水的颗粒增强树脂层；③合成的疏水性环氧树脂为涂层提供必要的低表面能特性。在此基础上，将纳米Al2O3颗粒替换为纳米Fe3O4颗粒，制备得到具有光热性能的耐久超疏水涂层。当颗粒的质量分数达到70%时，表面开始具有超疏水性能。该涂层表现出较好的防除冰性能，-20℃环境中5μL的液滴在该超疏水表面的结冰时间为35.2min，而水滴在未涂覆涂层的铝片上的结冰时间仅为0.8min。在-10℃冷却条件下，从20cm辐照表面1min后，表面温度可升至2.0℃，达到防除冰要求。 （2）模压工艺一步成型超疏水碳纤维复合材料研究。为进一步提升超疏水材料的力学性能和防冰性能，设计并制备了具有导电功能的超疏水碳纤维复合材料。该复合材料的拉伸强度为226.4MPa，模量为26.8GPa。且表面接触角可达155.4°，滚动角为2.0°，体导电率13.0S/cm，兼顾优良的超疏水特性和导电性能。材料在纤维连通方向具有导电性能，通过添加质量分数为1.2wt.%的MWCNT，表面的导电率可由~10-4S/cm增加至~1.2S/cm，进一步改善了超疏水碳纤维复合材料的导电性能。同时，该复合材料具有较好的综合耐久性，能耐受45次胶带粘接测试、30次砂纸摩擦测试，网格划分法评级为5B，且能耐受水速高达29.5m/s的水流进行冲击以及各类化学腐蚀液体的浸泡。 （3）浸渍烧结法制备超疏水多孔材料。根据提高超疏水材料耐水流冲击的机理以及耐高温的要求，设计并制备了表面具有纳米微孔和内部连通微米孔结构的超疏水多孔材料，使表面的耐水流冲击性能大幅提升，最高能耐受速度为76.2m/s水流的冲击（对应韦伯数~201613），为目前文献最高值。同时，材料具有良好的耐高温性能，在400℃下加热300min后或者在沸水中浸泡300min后均能保持超疏水性能。并且，该多孔材料具有优异综合耐久性，能够耐受48m砂纸摩擦测试或者4200g砂砾对表面的冲击，以及王水和5mol/L的NaOH溶液分别浸泡55h和48h。在疏冰性能方面，以该多孔材料为载体，通过填充PDMS/硅油体系可制备得到具有优异疏冰性能的表面。该表面与冰的粘附力低至4.4kPa，远低于冰与常规材料的粘附力，且循环测试10次后，粘附力为16.7kPa。
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