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研究生:吳方伶
研究生(外文):Fang-Lin Wu
論文名稱:奈米結構塗層表面之超疏水/疏油行為探討
論文名稱(外文):The Study on Super Water and Oil Repellency of Nano-structural Surfaces
指導教授:謝建德謝建德引用關係
指導教授(外文):Chien-Te Hsieh
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:化學工程與材料科學學系
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:147
中文關鍵詞:超疏水超疏油二階及三階奈/微米結構粗糙度碳纖維二氧化矽球接觸角遲滯
外文關鍵詞:SuperhydrophobicitySuperoleophobicityTwo-tier and Three-tier nano/microstructureroughnessCarbon fabricSilica spheresContact angle hysteresis
相關次數:
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本研究證明了二氧化矽奈米球塗佈在微米結構碳布上,能夠達到穩定的超疏水特性,並發現增加碳布上二氧化矽密度可以明顯提高水珠的接觸角、減少表面遲滯現象並提升超疏水的穩定性。因此,基於上述結論,本研究更進一步證明使用次微米尺度的二氧化矽球與奈米碳管裝飾在微米尺度的碳布上,可以達到比之前更好且
具低遲滯現象的穩定超疏水表面。
本研究證明含氟多層次奈米/次微米二氧化矽球,不但能夠疏表面張力在23.4 mN/m到73.2 mN/m的溶液,且對於常用的葵花油有穩定的超疏油特性,且能夠維持在至少三天的時間。吾人發現二氧化矽奈米球所組成的表面,提供了許多孔洞及縫隙來防止油滴滲入,也就是Cassie理論所說的表面空氣薄膜能夠保護每個次微米球不受到油滴污染,進而導致超疏油特性。因此,吾人歸納了超疏油行為之所以有明顯的提升的三個原因:(1)表面氟化(低表面張力),(2)表面型態(粗糙度)及(3)合併奈米/次微米結構所形成的多層次仿生表
面。
This study demonstrates the hydrophobic coating of silica
nanoparticles onto microscaled carbon fabrics (CFs) and investigates the superhydrophobic behavior of composite nano/microstructures. Increasing the density of silica on CFs showed significant effects on the enhancement of static contact angle, decrease of contact angle hysteresis, and superhydrophobic stability. This study demonstrates the creation of a stable superhydrophobic surface with low contact angle hysteresis using
microscale carbon fabrics decorated with submicroscale silica spheres
and carbon nanotubes (CNTs).
The present study demonstrates the creation of a stable superhydrophobic and superoleophobicity surface using a hierarchical nano/submicron silica sphere stacking layer with a thin fluorination coating on the surface of spheres. The super repellent surface not only repels the liquids with surface tension, ranged from 23.4 mN/m to 73.2 mN/m, but also shows a stable superoleophobicity toward sunflower oil at least for three days. The deposition of nanospheres provides the nanoscale cavity to repel the oil penetration, referring to the Cassie state. Thus, there is an existing thin air film that is able to protect each submicron sphere from oil contamination, thus leading to the superoleophobicity. The significant enhancement of super oil repellency can be attributed to the facts: (i) surface fluorination (low surface tension), (ii) surface topography (roughness), and (iii) the creation of bionic
surface hierarchically combined with nano/submicron architecture.
目錄
頁次
中文摘要 II
英文摘要 III
誌謝 V
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XV
第一章 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的與架構 3
第二章 5
2.1 蓮花效應 5
2.1.1 蓮花效應概述 5
2.1.2 蓮花表面分析 6
2.1.3 蓮葉表面探討 8
2.2 接觸角原理 9
2.2.1 靜態接觸角 9
2.2.2 動態接觸角 12
2.2.3 固-液-氣三相接觸線 15
2.3 表面張力探討 17
2.3.1 表面張力的原理與定義 17
2.3.2 測量方法 19
2.4 潤濕性 24
2.4.1 楊氏方程式 26
2.4.2 Wenzel 理論 28
2.4.3 Cassie-Baxter 理論 29
2.4.4 Cassie-Wenzel 間過渡狀態 30
2.5 超雙疏探討 31
2.6 超雙疏表面製備方法 35
2.7 超雙疏介面的應用與未來發展 50
2.8 奈米粉體材料分析 51
2.8.1 二氧化矽介紹 51
2.8.2 二氧化矽製備 52
2.8.3 二氧化矽應用 58
第三章 59
3.1 實驗藥品 59
3.2 實驗儀器裝置 63
3.3 實驗步驟 64
3.3.1 雙階超疏水結構的製備 65
3.3.2 三階結構超疏水結構的製備 67
3.3.3 雙階超雙疏二氧化矽球的製備 70
3.4 分析方法 73
3.4.1 接觸角測試 73
3.4.2 場發射掃描式電子顯微鏡 74
3.4.3 原子力電子顯微鏡 75
3.4.4 化學分析電子儀 76
3.4.5 傅立葉轉換紅外線光譜儀 78
第四章 80
4.1 雙階超疏水結構探討 80
4.1.1 雙階超疏水結構之特性分析 80
4.1.2 雙階超疏水結構之疏水性能分析 85
4.1.3 雙階超疏水結構之修正型 Cassie-Baxter模式分析 91
4.2 三階超疏水結構探討 94
4.2.1 三階超疏水結構之特性分析 94
4.2.2 三階超疏水結構之疏水性能分析 97
4.2.3 三階超疏水結構之修正型Cassie-Baxter模式分析 100
4.3 雙階超雙疏結構探討 102
4.3.1 雙階超雙疏結構之特性分析 102
4.3.3 雙階超雙疏結構之Cassie-Baxter模型分析 123
第五章 125
5.1 結論 125
5.1.1 雙階超疏水結構探討 125
5.1.2 三階超疏水結構探討 125
5.1.3 雙階超雙疏結構探討 126
5.2 未來展望 127
參考文獻 128





圖目錄
頁次
圖2-1 水珠在蓮葉表面的示意圖。 6
圖2-2 自潔效應:右圖為疏水性且具有奈米結構的表面,水珠滾動時可將灰塵帶走;左圖為無奈米結構的表面,水珠滾動時無法將灰塵帶走。 7
圖2-3 SEM所觀察的八種不同植物葉片上之表面結構。 9
圖2-4 水珠在材料表面上的靜態接觸角。 11
圖2-5 加液/減液法測量前進/後退接觸角示意圖。 13
圖2-6 倾斜板法測量前進/後退接觸角示意圖。 14
圖2-7 水珠在物體表面上滾動角示意圖。 15
圖2-8 表面張力的圖解。 18
圖2-9 掛環法示意圖。 19
圖2-10 威廉平板法示意圖。 20
圖2-11 最大氣泡法示意圖。 21
圖2-12 毛細管上升法示意圖。 22
圖2-13 懸滴法示意圖。 23
圖2-14 接觸角與親疏水表面之關係。 26
圖2-15 接觸角示意圖。 27
圖2-16 Wenzel模型所描述的水滴在粗糙表面上之示意圖。 28
圖2-17 Cassie模型所描述的水滴在粗糙表面上之示意圖。 30
圖2-18 藉由Au輔助無電鍍蝕刻所製備的多孔矽膜:(a) SEM頂視圖 (b) SEM剖面圖。插頁為水珠在此表面上的數位影像。 35
圖2-19 SEM觀察到的表面影像。 36
圖2-20 煅燒110度、2小時後所得到的聚苯乙烯(PS)奈米柱之SEM影像(a) 小倍率頂視圖 (b) 較大倍率頂視圖 (c) SEM剖面圖。 37
圖2-21 奈米管叢SEM影像。(a) 經由PECVD所產生的垂直奈米管叢 (b) 經由HFCVD將PTFE塗佈在奈米碳管叢 (c) 球形水珠在PTFE塗佈表面上的數位影像。 38
圖2-22 (a)-(b) 顯示從基質分離後的單層奈米碳管膜低倍與高倍之SEM影像 (c)-(d) 顯示雙層獨立式奈米碳管膜低倍與高倍之SEM影像。 39
圖2-23 顯示塗佈氟化矽烷後,聚烷基三乙烯亞胺聚合膜的SEM影像。 40
圖2-24 顯示兩種不同倍率所觀察到陽極氧化鋁表面粗糙度之FE-SEM。 41
圖2-25 (a)-(c)顯示藉由濃度為2 mg/L的單臂奈米碳管溶液與5微米的聚苯乙烯膠狀晶體組成的仿生表面之FE-SEM影像。(d) 蓮花葉片表面的FE-SEM圖像,也為形態上的對照圖。 43
圖2-26 (a)顯示未處理棉布的SEM影像 (b)-(c) 顯示經ZnO奈米柱陣列在棉布上成長後不同倍率之SEM影像 (d) 單一ZnO奈米柱之TEM影像。 44
圖2-27 顯示經矽溶膠處理後的棉布(a) SEM影像 (b) TEM影像。 45
圖2-28 顯示SEM影像(a) 未處理的織物表面 (b) 經矽溶膠處理後的織物表面。 46
圖2-29 PFA/MWNT-OOCC7F15複合膜表面的FE-SEM影像。 48
圖2-30 顯示水珠分別在從水(A1)、氯仿(A2)及二甲苯(A3)懸浮液所製備的MWCNT (COOC18H37)n膜表面上的型態。接觸角分別為155、163及159度。 48
圖2-31 顯示分別從水(A1)、氯仿(A2)及二甲苯(A3)懸浮液所製備的MWCNT (COOC18H37)n膜表面之SEM影像(上圖為低倍率;下圖為高倍率;小插圖為最高倍率)。 49
圖2-32 經不同表面粗糙度處理後的鋁合金之SEM影像。 50
圖2-33 溶膠凝膠法的反應過程。 54
圖2-34 不同溶膠-凝膠過程中凝膠的形成。 54
圖3-1 二氧化矽超雙疏表面製備之實驗流程圖。 64
圖3-2 二階粗糙二氧化矽球製備過程之概略圖。 65
圖3-3 二階超疏水結構製備之實驗流程圖。 66
圖3-4 三階粗糙二氧化矽球製備過程之概略圖。 67
圖3-5 三階超疏水結構製備之實驗流程圖。 69
圖3-6 奈米級二氧化矽球製備之實驗流程圖。 71
圖3-7 雙階二氧化矽球製備之實驗流程圖。 72
圖3-8 接觸角樣品組裝圖。 74
圖3-9 FE-SEM儀器裝置。 75
圖3-10 AFM儀器裝置。 76
圖3-11 ESCA儀器裝置。 77
圖3-12 FT-IR儀器裝置。 79
圖4-1 低密度與高密度的二氧化矽球裝飾在碳纖維上在不同倍率之FE-SEM影像:(a)(b) SiO2-CF1與(c)(d) SiO2-CF4。 81
圖4-2 二氧化矽奈米粒子裝飾在碳纖維上之EDS圖譜(樣品:SiO2–CF4)。 82
圖4-3 二氧化矽奈米粒子裝飾在碳纖維上之FTIR光譜。 84
圖4-4 水珠分別靜置在(a) SiO2-CF1及(b) SiO2-CF4上的傾視影像。滴在SiO2-CF4複合表面上的幾滴水珠:(c)水平震動前及(d)水平震動後。 86
圖4-5 水珠在(a)SiO2-CF1與(b) SiO2-CF4合成表面上的接觸角大小。 86
圖4-6 藉由EDS分析之Si/C原子比例與水珠接觸角間的變化圖。 87
圖4-7 為SiO2-CF複合表面上,前進角、後退角及遲滯接觸角間的關係圖。 89
圖4-8 水珠接觸角對時間的變化圖。 90
圖4-9 水珠接觸到奈/微米尺度粗糙表面上空氣之面積分率對於Si/C原子比例的變化圖。 93
圖4-10 (a)純碳纖維,裝飾有二氧化矽球之碳纖維在(b)低倍率及(c)高倍率與裝飾有二氧化矽球及奈米碳管之碳纖維在(d)低倍率、(e) 中倍率及(f)高倍率之FE-SEM影像。 95
圖4-11 SiO2-CF及CNT-SiO2-CF複合表面上所測量之FTIR光譜。 97
圖4-12 在不同複合表面上水珠接觸角對時間的變化。插頁為水珠在不同複合表面上之截面影像。 99
圖4-13 不同二氧化矽堆積層之低倍率及高倍率FE-SEM影像:(a) 10 k與(b) 50 k: T-S 表面, (c) 10 k與(d) 50 k: T-L表面,及(e) 10 k與 (f) 50 k: 2T-SL表面。 103
圖4-14 為三種二氧化矽堆積層(T-S、T-L及2T-SL表面)的XPS圖譜。 105
圖4-15 XPS C 1s圖譜及藉由使用多個高斯函數拆解XP C 1s特徵峰所得到的氟烷基官能基分佈比例,分別為:(a) T-S、(b) T-L及(c) 2T-SL。 105
圖4-16 八種液體在T-S、T-L及2T-SL表面上之水珠截面圖。 107
圖4-17 不同含氟表面(平坦、T-S、T-L及2T-SL)表面張力對接觸角的關係圖。 108
圖4-18 油滴靜置在三種二氧化矽堆積層上的概略圖:(a) T-S、(b) T-L及(c) 2T-SL表面。 109
圖4-19 不同含氟表面(平坦、T-S、T-L及2T-SL)表面張力對遲滯接觸角的關係圖。 111
圖4-20 水珠在二氧化矽傾斜板上之表面滑動與停滯之截面圖:(a)T-S及(b)2T-SL表面。 112
圖4-21 不同溶液在三種二氧化矽堆積層傾斜表面上表面張力對傾斜角的關係圖。 114
圖4-22 為兩種測量遲滯角方法(加液減液法(實心)與傾斜板法(空心))應用在三種二氧化矽堆積層表面上所得到的表面張力對遲滯角比較圖。 116
圖4-23 水珠自由落在T-S表面上之連續時間影像。白色箭頭指出水珠向上與向下的方向。 117
圖4-24 水珠自由落在2T-SL表面上之連續時間影像。白色箭頭指出水珠向上與向下的方向。 117
圖4-25 在不同二氧化矽堆積層表面上(T-S、T-L及2T-SL表面)對於葵花油之疏油穩定度測試圖。 119
圖4-26 T-L及2T-SL表面在不同狀態下之老化時間測試:(a) WW,(b) EW (c)WE及(d)EE。 121
圖4-27 顯示不同種類的液珠在(a) T-S與(b) 2T-SL表面上之影像圖。 122
圖4-28 (a) cos Θ*與cos Θ間的關係圖與(b) 對於所有二氧化矽堆積層之液體表面張力與表面分率(Φs)之變化圖。 124


表目錄
頁次
表2-1 探討各種溶劑表面自由能對於氧化鋁表面疏水、疏油接觸角的影響 34
表2-2 奈米碳管的基本物性 47
表3-1 實驗儀器名稱及其相關資料 63
表4-1 不同密度二氧化矽奈米粒子裝飾在碳纖維上之EDS分析 83
表4-2 一階與二階含氟二氧化矽塗層之化學成分及氟官能基分布 104
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