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基于紫外—臭氧对衬底表面活化预处理的高质量防护膜制备及其性能研究

基于紫外—臭氧对衬底表面活化预处理的高质量防护膜制备及其性能...

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作者：范志涛西南交通大学

学位级别：硕士

玻璃和不锈钢作为常用工程材料,在日常生活、工业生产等方面扮演着重要角色。然而,由于材料表面的磨损、腐蚀等问题导致了大量的浪费,甚至造成了严重的经济损失和人身安全事故。为提高材料使用性能和寿命,材料表面防护膜的研究显得尤为... 详细信息

玻璃和不锈钢作为常用工程材料,在日常生活、工业生产等方面扮演着重要角色。然而,由于材料表面的磨损、腐蚀等问题导致了大量的浪费,甚至造成了严重的经济损失和人身安全事故。为提高材料使用性能和寿命,材料表面防护膜的研究显得尤为重要。目前,材料表面防护膜得到快速发展,出现了无机薄膜、有机膜和自组装分子膜等,广泛应用于微流体加工、材料表面摩擦防护、微电子封装等方面。为在材料表面形成高质量防护膜往往需要对其表面进行活化处理,常用的方式是利用化学溶液。但化学溶液缺点明显,如易对材料表面产生破坏、引进杂质元素、对环境不友好等,所以研究更优质的材料表面活化处理方法势在必行。基于紫外-臭氧活化处理,可以对衬底表面进行清洁并形成亲水性基团;其不仅具有快速、高效的优势,而且对环境十分友好。使用该方法可在玻璃表面形成具有亲水活性羟基基团,再利用分子自组装技术可在玻璃表面快速制备高质量摩擦防护膜;此外,对不锈钢表面进行紫外-臭氧活化处理可以辅助不锈钢表面形成高质量缓蚀膜。本文运用接触角测量仪和原子力显微镜（AFM）分别考查了紫外-臭氧处理时间对玻璃表面润湿性和粗糙度的影响,以确定合适的紫外-臭氧处理时间,再在玻璃表面进行1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDS）分子自组装;利用X射线光电子能谱仪（XPS）和AFM对玻璃表面PFDS自组装单分子膜进行化学元素和膜厚检测;利用AFM分别对玻璃表面PFDS自组装单分子膜进行微观摩擦磨损测试;在不锈钢表面进行高质量聚二甲基硅氧烷（PDMS）缓蚀膜的制备,进一步探讨了本方法的应用。主要研究内容如下:（1）研究了紫外-臭氧对玻璃表面活化预处理及自组装分子膜的形成在紫外-臭氧的处理下,玻璃表面会产生活性基团且改变玻璃表面粗糙度。通过在不同时间的紫外-臭氧处理下,玻璃表面水接触角会逐渐减小直至0°;但表面粗糙度会先减小后增大,在紫外-臭氧处理时间为10分钟时,玻璃表面粗糙度最小。将原始玻璃和经过紫外-臭氧处理不同时间的玻璃放入PFDS分子溶液中进行分子自组装成膜,发现经过10分钟紫外-臭氧处理的玻璃表面在2小时即可形成均匀的表面膜。利用XPS对原始玻璃、成膜玻璃表面进行化学元素检测;结果表明,PFDS分子成功地组装到玻璃表面且经过10分钟紫外-臭氧处理的玻璃表面有更多的F元素。AFM检测到PFDS自组装单分子膜的膜厚为1.6 nm,与理论值基本一致,这也证明PFDS分子成功地组装到玻璃表面。（2）考察了玻璃表面自组装单分子膜的性能利用接触角测量仪以及AFM分别对原始玻璃、未经紫外-臭氧处理直接分子自组装的玻璃和紫外-臭氧处理10分钟后分子自组装的玻璃表面进行润湿性、摩擦磨损性能测试。原始玻璃表面水接触角为55°,而未经紫外-臭氧处理直接分子自组装的玻璃和紫外-臭氧处理10分钟后分子自组装的玻璃表面分别为93°和104°。玻璃表面摩擦磨损测试结果显示,原始玻璃、未经紫外-臭氧处理直接分子自组装的玻璃和紫外-臭氧处理10分钟后分子自组装的玻璃表面摩擦系数分别为0.39、0.28和0.10,并且在相同法向载荷条件下三种玻璃表面的磨损情况依次减弱。因此,PFDS自组装单分子膜能有效提高玻璃表面疏水及摩擦磨损性能,且经过10分钟紫外-臭氧处理后分子自组装的玻璃表面展现出最好的性能。（3）探索了不锈钢表面高质量PDMS缓蚀膜的制备方法首先,采用紫外-臭氧活化方法对刚抛光的316L不锈钢表面进行活化处理;其次,在刚抛光的316L不锈钢和经过紫外-臭氧处理的316L不锈钢表面旋涂一层PDMS膜;最后,将刚抛光的316L不锈钢、直接旋涂PDMS的316L不锈钢、经紫外-臭氧处理后再旋涂PDMS的316L不锈钢浸泡在高浓度的腐蚀性溶液12小时。由实验结果可见,PDMS膜能够有效抑制316L不锈钢表面腐蚀,同时经紫外-臭氧处理后再旋涂PDMS的316L不锈钢抗腐蚀性能最好。因此,紫外-臭氧处理能够辅助316L不锈钢表面形成高质量缓蚀膜。紫外-臭氧处理是一种安全、绿色且高效的活化处理方法。本文通过研究紫外-臭氧处理时间对衬底表面润湿性及形貌的影响,确定合适的衬底活化处理时间以改善衬底表面的成膜条件;通过接触角测量仪、AFM和显微镜相机等设备,验证了紫外-臭氧活化处理方法能够辅助玻璃和不锈钢表面形成高质量防护膜,并且为其他衬底表面形成高质量防护膜提供了可能性。

关键词：衬底活化紫外-臭氧处理高质量防护膜润滑与抗磨损缓蚀

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