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表面的浸润性是决定材料应用的重要性质,而表面形貌和化学组成是影响表面浸润性的两个重要因素。本论文合成了含氟链段做为端基的含氟聚氨酯(FPU),通过电纺丝的方法构筑了不同形貌的表面,研究了FPU纤维膜表面形貌对浸润性的影响,并研究了FPU纳米纤维膜的表面化学组成,发现了氟元素的异常聚集行为。论文总结了疏水表面的基础理论和研究进展,在现有文献的基础上提出了本论文的研究思路。论文的主要内容如下:
1.FPU的合成
通过两步法加聚反应合成了氟链段做为端基的聚氨酯和具有相同结构的不含氟聚氨酯(PU)。
2.影响表面疏水性的因素分析
材料表面的几何微结构和低的表面能是构筑具有自清洁效应表面的两个重要因素。同时调控表面几何结构与表面能来研究材料的表面浸润性的相关报道则较少。在本研究中,作者利用浇铸和电纺的方法制备了表面几何构造不同的含氟和不含氟的聚氨酯膜。同时对低表面能及几何结构在疏水性上的贡献进行了评价。研究结果表明,低表面能的影响似乎不如微观结构的影响大。作者提出了一种“吸盘效应”来解释具有高接触角(大于150°)的疏水表面上液滴被粘附其上的现象,避免出现吸盘效应的必要条件是打破固—液—气三相接触线,因此,赋予表面特定的形貌结构比降低表面能更加有效。
3.取向纤维膜的表面浸润各向异性
采用电纺的方法制备了具有取向结构的FPU纤维膜,并通过改变溶液浓度得到一系列纤维直径不同的取向膜。取向膜表面的静态接触角和动态接触角呈现各向异性,并且这种各向异性基本上不受纤维直径的影响。作者建立了一个模型来解释这种各向异性现象。在分析了接触线在平行和垂直方向上的轮廓和运动过程之后,平行和垂直方向上三相接触线连续性的不同被认为是导致各向异性的本质原因。另外,由于在作者的研究中纤维的直径改变相对于液滴尺寸来说过于微小以至对各向异性几乎没有影响。
4.含氟聚合物电纺膜的表面化学研究
对于含氟材料来说,氟化的链段或端基由于低表面能的作用趋向于向表面聚集已经被许多研究工作证实。氟元素在表面的聚集可以带给含氟材料诸如超疏水,防粘连等许多优异的表面性质。然而对于电纺的含氟聚氨酯纤维膜,氟元素在表面的含量甚至比本体还要低。XPS的结果表明表面的氟含量非常低。通过模型实验,作者认为电纺过程中溶剂的快速挥发造成的链冻结是导致电纺纤维表面低氟含量的主要原因。动态光散射和荧光实验进一步研究都显示了浓溶液中聚集体的出现。随着电纺溶液浓度的增加,会出现一个标志着聚集体形成的转折浓度。由此可以推断出浓溶液中FPU聚集体的形成和电纺过程溶剂快速挥发导致的链冻结是造成电纺膜表面氟含量低的机理所在。表面的氟含量随纤维直径增大而增加这一现象也可以用我们提出的机理很好的得到解释。