含氟聚合物及含氟POSS/聚合物复合材料表面润湿行为统计力学研究
润湿现象在大自然中普遍存在，只要有两相或两相以上的接触，就会存在润湿行为。通过设计和合成表面的特定结构来改变固体表面的润湿性能受到了广泛的关注。目前对固体表面润湿现象的解释大多通过实验手段，而缺乏对其表面润湿微观机理的深刻认识。本文从不同分子（基团）间相互作用出发，在统计力学基础上构建相关理论模型，以二碘甲烷为流体探针分子，研究其在含氟聚合物表面微观结构，解释润湿机理，主要内容如下: (1)对于二碘甲烷/含氟聚合物体系，以能够精确描述实际流体结构的积分方程理论(3D-RISM)为主体，结合密度泛函理论(3D-DFT)构建的桥函数对积分方程理论进行能量校正，搭建了杂化的3D-DFT-RISM，改善3D-RISM的热力学不自洽性。由于含氟聚合物基团化学特性和分子链拓扑结构的共同影响，含氟聚合物表面会显示出不同程度和不同方式的微观粗糙结构及表面形貌，导致流体形成不同的界面结构。通过3D-DFT-RISM定量表征了这些微观结构及与此相关的界面性质，并借助于Young方程得到液滴在不同含氟聚合物表面接触角，解释了表面润湿机理，分析了含氟聚合物表面润湿和去润湿的能力。 (2)选取可描述实际流体分子内精细结构的3D-RISM为切入点，在3D-DFT基本框架内构筑新的自由能泛函表达，以此拓展3D-DFT模型的使用范围。以二碘甲烷/含氟聚合物表面体系为研究对象，基于非均相液滴成核，探讨二碘甲烷在含氟聚合物表面的成核过程以及润湿行为。首先检验了理论模型，然后通过改变含氟聚合物的含氟量及表面形貌，研究了二碘甲烷临界成核液滴的界面结构、成核半径、成核能垒以及接触角，全方位解释含氟聚合物表面的亲/疏油机理。 (3)以3D-DFT为基础，以简单流体润湿有序纳尺度粗糙表面为研究对象，通过重构固体表面和流体间相互作用，对这种非对称作用导致的表面润湿行为展开理论研究，重点考虑较大尺度的粗糙形貌及纳尺度表面粗糙度对润湿行为（润湿状态和接触角）的影响。分析了液滴在粗糙表面的成核机理，计算了液滴在粗糙表面的临界成核半径和成核能垒。为了深入了解粗糙度对成核能垒的影响，讨论了凹槽角落处的多重作用点作用引起的液/固界面处局部密度涨落来解释界面自由能的变化;从液滴长大过程中接触角的变化推导出汽-液-固三相接触线张力来进一步解释三相接触能量的变化。在Cassie，Wenzel和Impregnation润湿区域构建了临界成核液滴的润湿谱图。分析了纳尺度湿润谱图和宏观湿润谱图之间的不同偏差及产生原因。 (4)将3D-DFT模型拓展应用到研究二碘甲烷/F-POSS纳米颗粒修饰的聚合物表面体系。深入探讨了F-POSS的化学特性以及尺寸对表面润湿行为的影响。总结了F-POSS在固体表面形成的纳尺度粗糙度和固体表面形貌对F-POSS/聚合物复合材料润湿行为的影响。 (5)综合上述研究工作，本文建立了一套相对完整的理论体系，可定量表征各种聚合物表面及纳米/聚合物复合材料表面流体微观结构及宏观性质，基本实现了从分子尺度-纳尺度-宏观尺度表面润湿行为的多尺度理论解释。
含氟聚合物;复合材料;表面润湿行为;统计力学;微观结构
北京化工大学
博士
材料科学与工程
张晨
2015
中文
TB332
141
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）