1、 哈尔滨商业大学 本科 毕业设计（论文） 聚四氟乙烯疏水纸 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 专 业 班 级 ： 印刷工程 学 号 ： 学 院： 轻工学院 二 XX 年 六 月 八 日 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） I 摘 要 随着人们生活质量的提高环保意识的不断增强使得自清洁功能的疏水技术迅速发展 。本文以再生纸为研究对象，开展疏水纸的研究，分别采用 PTFE 乳液及纳米PTFE 粉为疏水剂，与再生纤维共同抄造纸张，结果表明纳米级 PTFE 粉末疏水效果更为明显，将不同 PTFE 粉的添加量试样进行接触角测试，发现加入纳米级 PTFE 粉末为 4g 时接触角为 121.42，另外，本
2、文研究了 PTFE 分散剂（酒精、水、硅烷偶联剂）对纸张疏水性的影响，加入酒精的分散效果最好，接触角可达 178.6，且抄造出的纸张平滑。 关键词 ：疏水技术；疏水；聚四氟乙烯；接触角哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） II Abstract With the improvement of peoples living quality and the strengthening environmental protection conscious,makes the cleaning function of hydrophobic technology rapid development. I
3、n this paper, recycled paper as the object research hydrophobic paper, PTFE emulsion and nano PTFE powder were used respectively as the hydrophobic agent, With the recycled fiber paper produced together, The results show that the hydrophobic effect of nano scale PTFE powder is more obvious, contact
4、angle test of the sample with different PTFE powder addition, We found that the addition of nano PTFE powder is 4G when the contact angle is 121.42 degrees, In addition, This paper studies the PTFE dispersant( Alcohol、 Water、 Silane coupling agent) Impact of hydrophobicity on paper, the addition of
5、alcohol is the best dispersant, contact angle up to 178.6 degrees, and the copy of the paper is smooth. Keywords: Hydrophobic technology, hydrophobic ,PTFE , Contact Angle 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） I 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪 论 . 1 1.1 疏水表面现象 . 1 1.2 疏水表面应用 . 2 1.3 表面疏水的理论基础 . 2 1.3.1 表面张力定义 . 2 1.3.2 表
6、面润湿性 . 3 1.3.3 疏水性定义 . 3 1.3.4 接触角定义 . 3 1.3.5 Young 方程 . 4 1.3.6 Wenzel模型 . 5 1.3.7 Cassie-Baxter 模型 . 5 1.4 合成疏水纸张的目的及意义 . 6 1.4.1 合成疏水纸张目的 . 6 1.4.1 合成疏水纸张意义 . 7 1.5 疏水纸发展现状 . 7 1.5.1 国内发展现状 . 7 1.5.2 国外发展现状 . 8 1.6 PTFE 聚四氟乙烯性能分析 . 9 1.6.1 聚四氟乙烯性质 . 9 1.6.2 应用 PTFE 合成疏水纸张 . 10 1.6.3 PTFE 疏水纸张性能要
7、求 . 10 1.7 聚四氟乙烯疏水纸张制备技术研究概况 .11 1.8 本文内容 .11 2 实验方法及设备 . 13 2.1 实验原料与设备 . 13 2.1.1 主要原料或试剂 . 13 2.2.2 主要仪器设备及作用 . 13 2.2 实验方法 . 14 2.2.1 聚四氟乙烯粉末的处理 . 14 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） II 2.2.2 纸张打浆处理 . 14 2.2.3 纸浆与聚四氟乙烯的混合 . 15 2.2.4 纸张的抄造 . 15 3 实验结果及分析 . 17 3.1 接触角测试 . 17 3.2 纸张疏水性能的优化 . 19 3.3 聚四氟乙烯乳液对纸张的影响
8、. 20 3.4 墨水测试应用 . 21 3.5 实验误差分析 . 23 3.6 本章小结 . 23 结 论 . 24 参考文献 . 25 致 谢 . 27 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪 论 表面的浸润性是决定某种材料应用的重要性质，许多物理化学过程与表面的浸润性密切相关如分散、吸附、摩擦等。 疏水性是指疏水物体与水相互 排斥的物理现象。表面疏水技术是一项具有较高实用价值的技术，随着人们生活质量提高环保节能意识的不断加强使自清洁表面技术迅速发展，近年来疏水表面引起了广大科学工作者的高度重视且在日常生活中有着广泛的应用，纸产品的应用领域不断扩展，如纸杯、纸张等纸产品需有一定的疏
9、水性，为满足人们对纸产品越来越高的需求扩大纸张的应用范围，赋予纸张特殊的疏水性能。 通过设计不同结构及化学和物理特征的涂料，能够赋予材料新的附加功能，尤其是现代工业对疏水涂料的需求快速增长给功能化的疏水涂料于勃勃生机。因此，研究和开发具有特殊表面浸润性的 材料对加深表面现象认识、扩展材料应用范围及提高材料应用性能有着重要的意义。 聚四氟乙烯 （ Polytetrafluoroethylene 简写为 teflon，一般称作“不粘涂层”或“易清洁物料 )这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。表面能低，具有良好的疏水性。 制备 PTFE 疏水涂层 1的方法有很多如等离子
10、技术、离子镀技术、以及超细 PTFE粉末喷涂等方法。 1.1 疏水表面现象 自然界中存在很多疏水现象，出淤泥而不染的荷叶被誉为纯洁的象征，仔细观察荷叶就会发现水滴滴在荷叶上时，水滴成 球形而不铺展形成亮晶晶的球形水珠 (如图1.1a 所示 )，并随着荷叶的晃动而滚动，只需轻轻倾斜水滴便会从荷叶的表面上滚落下来，同时也会将荷叶上的灰尘带下来保持了表面的清洁 (如图 1.1b 所示 )。这种自清洁现象被称为“荷叶效应”。 图 1.1 荷叶表面疏水现象 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 2 对此人们对荷叶表面进行了研究通过 SEM 照片可以清楚观察到其表面不光滑，在较低放大倍率时可以观察到荷叶表面
11、随机分布着微米级乳状突出，直径约为 3-10微米。 进一步放大观察倍率，这些纳米棒的平均直径约为 50 纳米纳米棒是由低表面能的荷叶蜡形成，正是由于蜡质纳米 级棒状与微米级乳突复合结构，赋予荷叶表面优异的疏水特性，水滴在荷叶表面的接触角达到 162 2-3。 以上是植物叶面的疏水现象，自然界还有很多疏水现象，动物的身体上也有疏水现象，研究人员发现水黾腿表面有针状的刚毛（如图 1.2a 所示），且刚毛的直径在 3微米至几百微米，绝大部分刚毛的长度约为 50 微米且每个微米级刚毛上分布着复杂的纳米级沟槽，构成分级结构（如图 1.2b 所示），空气有效的吸附在这些缝隙中形成气膜，阻隔了水滴的浸润，表
12、现了疏水特性。 图 1.2 水黾的疏水现象 1.2 疏水表面应用 疏水表面的自 动清洁功能和特殊的润湿性，不仅有较高的接触角还要有较小的滚动角，水滴从疏水表面可以轻松脱落，且在脱落过程中带离污染物，达到自清洁目的，近年来人们制作出很多疏水表面使其在防水、防腐蚀、防脏、防潮、防雾、防结冰、功能纸包装纸及微量分析领域都具有广泛的应用前景。 1.3 表面疏水的理论基础 1.3.1 表面张力定义 在材料的表面或界面的原子或分子由于内聚力不平衡，使液体表面收缩从而导致材料界面或表面存在界面张力或表面张力。 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 3 1.3.2 表面润湿性 润湿性在人们的日常生活、工农业生产
13、中都起到了至关重要的作用，液体覆 盖固体表面的过程称为润湿。 润湿现象是固体表面被液体覆盖的过程分为三种： （ 1）铺展：固气界面消失面积等于增加的固液界面面积，并且同时形成了等量的气液界面。 （ 2）浸湿：固体完全浸入液体中，固气界面完全被固液界面取代。 （ 3）粘湿：与固体接触的气体被液体所取代，消失的固气界面的大小等于后形成的固液界面的大小。 1.3.3 疏水性定义 由水和固体表面的接触角来判断，当接触角小于 90时液体可以在固体表面平铺，表现为亲水称其为亲水表面。当接触角大于 90时液体在固体表面呈收缩状态，为疏水表面。表面水接触角大于 150，且具有很小的滚动角和自清洁的表面被称为疏
14、水。当接触角为 180时称完全疏水表面，接触角为 0时称为完全润湿表面（如图 1.3 所示）。 图 1.3 亲水、疏水、超疏水示意图 1.3.4 接触角定义 物体通过表面与外界发生联系，用接触角来衡量物体表面的表面能，接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气 液界面的切线穿过液体与固 液界面的夹角为接触角。接触角属于液滴的本征性能。 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 4 1.3.5 Young 方程 对于一个化学性质均一、表面结构光滑平整的理想表面 Young 认为 值决定于固体的表面张力 SV 、液体的表面张力 LV 、以及固体与液体的界面张力 SL 的相对大小 (如图 1.4)， 处于平
15、衡状态时通过力学的方法推导出了 值与 SV 、 LV 、以及 SL的三者的关系： 图 1.4 Young 方程接触角示意图 cos =LVSLSV （ 1-1） 结合表达式（ 1-1）可知，在杨氏方程条件下表面自由能控制接触角大小，减小表面自由能可以提高液滴在表面的接触角大小，通过润湿角的大小可以描述润湿程度。 在杨氏方程中要注意的是此平衡式只适 用于固、液、气三相稳定接触的情况中，且必须满足下列不等式： SLSV LV （ 1-2） 否则，表面接触角 将无意义，固、液、气三相不能达到平衡。 早在上世纪八十年代 Gennes 通过热力学计算，提出了接触角大小受热力学平衡控制，受固体表面的化学成
16、分和表面形态的影响。并提出影响接触角 大小的三个主要因素： （ 1）表面的化学组成成分 （ 2）接触表面的粗糙程度 （ 3）液滴的主要成分 前两个因素为主要影响因素，为了进一步弄清表面润湿状态，研究人员又提出了Wenzel模型和 Cassie 模型。 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 5 1.3.6 Wenzel 模型 实际上固体表面并不是绝对光滑的，因此 Young 方程不能应用于液滴与粗糙的表面接触的润湿情况， Wenzel 认为实际表面是具有一定的粗糙度，并且有很多空隙，水滴会浸入到空隙中，因此水滴接触的实际大于表面的几何面积（如图 1.5 所示），考虑到表面粗糙效应对液体润湿性能的影
17、响， Wenzel因此将杨氏方程进行改进： 图 1.5 Wenzel 模型示意图 cos r=r Cos (1-3) 定义式中， r 是粗糙度影响因子，是无量纲的常数，表示了固体表面实际的接触面积与其投影面积之比，反映了固体表面的粗糙程度。在式中系 数 r 值大于 1 所以上式表明： （ 1）亲水表面 90时， r 与表面粗糙程度成反比，表面粗糙程度增大 r 减小，表现为亲水。 （ 2）疏水表面 90表面粗糙程度增大， r 增大，疏水性更强。但值得注意的是，当在具有多孔结构和较高表面粗糙度的表面中，上述公式中右侧的绝对值大于1 导致 Wenzel模型失效。 1.3.7 Cassie-Baxter 模型 实际中由于液体的表面张力，液滴与粗糙表面接触时并不能与固体表面完全接触， 1944 年 Cassie 和 Baxter 认为在液滴和固体表面接触之前会有一部分空气陷入其中，减少了固液之间的接触，使接触角变大（如图 1.6 所示）。因此 Cassie 和 Baxter提出将带有空隙粗糙不均的表面假设成一个粗糙结构的突起部分和突起之间气体组成的一个复合表面。在液滴与固体表面接触时，固液之间接触的面积占总面积的百分比为 f1 ，同理液滴与空气部分接触 的面积所占总面积的百分比为 f2 ,当 r 足够大时，f1 趋近于 0，此时 接近于 180液滴在表面上呈现球形，表现出优异的疏水性能。
