基于疏水纳米结构材料自洁效应的研究

江苏大学学生科研项目申请书课题名称：基于疏水纳米结构的材料自洁效应研究申请者：任朝阳所在学院：机械工程学院申请日期：2016.4项目类别（在相应的类别前括号内打√）（）A、自然科学类论文（√）B、发明制作类（）C、社会科学类论文共青团江苏大学委员会2016年3月项目承诺书我承诺对本人填写的各项内容的真实性负责，申请书内容不与其他各类已获批课题申请书内容雷同，保证没有知识产权争议。如获准立项，我承诺以本表为有约束力的协议，遵守江苏大学有关项目管理规定，按计划认真开展研究工作，取得预期研究成果。同意学校在项目立项后使用项目中所有数据和资料。申请者（签名）：年月日--------------------------------------------------填表说明l.申报者应在认真阅读说明各项内容后按要求详细填写。2.表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。3.编号由学生科研立项管理委员会(校团委)统一填写。4.申请书采用A3纸双面打印中缝装订，1份，活页部分单独装订，由所在单位审查签署意见、加盖公章后在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。5.在以前批次大学生科研课题立项中立项，但没有结题的同学，不得申报此次大学生科研课题。6.第十五批重点项目的申报不适用本申报书。7.有关其他事宜请向校团委咨询。8.联系人：杜明拴（88780040）。项目概况项目名称基于疏水纳米结构的材料自洁效应研究项目类别（B）A、自然科学类论文B、发明制作类C、社会科学类论文起止时间2016年5月——2017年5月预期成果论文一篇或专利一项申请者基本情况姓名任朝阳性别男出生年月1996.4学院机械工程学院专业班级光信1401学号3140307022学历(本科)本科硕士博士联系电话[phone]邮箱[e-mail]合作者情况姓名焦建其学院机械工程学院专业班级光电信息1401班学历(本科)本科硕士博士联系方式18852851006姓名李慧玲学院机械工程学院专业班级光电信息1402班学历(本科)本科硕士博士联系方式18206105980指导教师情况姓名周志强学院(部门)机械工程学院联系方式18261970257研究专长光学镜头申请者（合作者）曾承担科研项目及完成情况课题名称批准时间完成情况指导教师意见签字：年月日申请者所在学院分管科研的领导对该项目的基本评价签章：年月日学院意见盖章：年月日学生科研课题指导委员会意见经审核，同意资助该项目经费人民币元。盖章：年月日编号：江苏大学学生科研项目申请书（活页）课题名称：基于疏水纳米结构的材料自洁效应研究申请年度：2016年共青团江苏大学委员会2016年3月说明l.申报者应在认真阅读说明各项内容后按要求详细填写。2.表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。3.编号由学生科研立项管理委员会(校团委)统一填写。4.申请书（活页）采用A3纸双面打印中缝装订，3份，与申请书分开装订，在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。5.在活页中，一律不得出现申报者和指导教师的信息，否则取消申报资格。6.第十五批申报的重点项目不适用本申报书（活页）。7.有关其他事宜请向校团委咨询。8.联系人：杜明拴（88780040）。研究课题名称基于疏水纳米结构的材料自洁效应研究所属类别（B）A、自然科学类论文B、发明制作C、社会科学类论文起止时间2016.5-2017.5预期成果论文一篇或专利一项申请经费总额1200元其它经费来源一、选题意义及国内外研究现状述评，本项目研究的理论价值和实际应用价值选题意义：喝茶过程中形成茶锈难以避免，其不仅影响杯具的美观性，据分析，茶锈所含成分是由于茶多酚在空气中发生氧化还原反应产生，其中铬，铁，铅，砷等以及各种金属氧化物会对人体产生危害。传统方法多采用醋浸泡，牙膏擦洗等方法，其效率低下，需要重复次数多，目前，较为先进的方法为在杯具内表面镀二氧化钛的方法使之具有纳米效应，但二氧化钛与不同材料的结合存在较大的技术上的问题，所以考虑直接改变原有材料的表面结构，使之具有纳米效应。国内外研究现状：目前，从方法上区分自清洁玻璃有以下两类：超疏水自清洁玻璃和超亲水自清洁玻璃，它们都是通过水的作用达到本身的自清洁效果的。超疏水自清洁玻璃大多模仿荷叶的自清洁效果,在玻璃表面镀一层疏水膜制备而成的。这种疏水膜可以是超疏水的有机高分子氟化物、硅化物和其他高分子膜,也可以是具有一定粗糙度的无机金属氧化物膜。超疏水方自清洁法效果比较明显，但由于受超疏水表面的纳微米结构机械强度的限制，使得该方法时效性差，无法保证玻璃产品作为耐用消费品的长期使用寿命，因此实际应用的超疏水自清洁玻璃还很少。表1列出国内外在超疏水自清洁方面的研究专利。除了表1列出的部分专利信息外，国内有研究机构开发出了一种不粘性超疏水纳米陶瓷涂料，具有疏水、疏油、易洁（或自洁）等功能。该涂料是有机硅单体和无机纳米氧化物在原子或分子状态通过缩合反应有机的结合，从而制得复合纳米涂料，因成膜后光滑坚硬如陶瓷表面，故得名——陶瓷涂料。陶瓷涂料主要成分为Si、O和Al（SiO2、Al2O3、P2O5SiO2、Al2O3、P2O5），在玻璃基材表面涂装后，通过低温加热方式固化，形成性能和陶瓷、玻璃等相似的涂膜。超亲水性自清洁玻璃的自清洁功能表现为两方面：一是靠其表面对水的亲和性，使水的液滴在玻璃材料表面上的接触角趋于零。当水接触到玻璃材料时，迅速在其表面铺展，形成均匀的水膜，表现出超亲水的性质，通过均匀水膜的重力下落带走污渍，通过该方式将可以去处大部分有机或无机污渍。二是光催化分解有机物的能力，TiO2在紫外光或可见光照射下，当照射光子的能量大于或者等于其能带宽度的时候，价带中的电子被激发，越过价带进入导带，在导带和价带上形成电子-空穴对，电子、空穴具有不同的活性，分别与吸附在TiO2表面的有机物质发生氧化还原反应，生成水和CO2，从而达到降解有机物的目的。理论价值与实用价值：考虑到利用光学处理的方法最小尺度可以达到纳米量级，如果直接对材料表面进行光学处理，将解决不同镀层材料的结合问题，这样，可以防止茶锈在杯具表面的聚集，保证了人体的健康。同时，这种直接处理材料表面的方法便于得到推广，使得更多的材料具有自洁能力。二、本项目研究的目标、内容、思路、方法及其创新之处研究目标：通过光学处理技术，能够使材料表面直接形成类似于纳米薄膜的疏水结构，使其具有自洁效应。内容：了解不同材料光学处理所需最佳波长，并用实验统计其表面形成荷叶效应所用光波波长的实际区间，利用光刻，激光加工等技术，构建不同材料的表面荷叶结构，使之具有纳米效应。思路：观察荷叶表面结构，采用类比的方法，由结构决定性质的思想，使材料具有荷叶效应，即自洁能力。创新之处：解决了原有不同镀层的表面契合问题，使纳米结构直接在材料表面形成，同时，此模型便于移植，对于有自洁需要的材料有很好的适应性。三、本项目前期研究基础和相关资料准备情况TiO2的光催化特性自20世纪70年代由日本东京大学的藤岛昭教授首次发现以来,得到了广泛的研究和应用。2000年,日本Soda公司与日本东京大学先进科学技术中心Toshiya等合作采用Sol-Gel法在钠钙玻璃上制备纳米TiO2膜,并对纳米TiO2膜光催化活性和光致超亲水性进行了细致的研究。2002年英国Pilkington公司制造出了世界第一块应用型自清洁玻璃,并已推广应用。该公司主要采用热解CVD法,其产品的光诱导超亲水性和光催化能力都比较好,在有效清除无机有机灰尘的同时,保持着永久的自清洁性。我国是关注自清洁玻璃比较早的国家,余家国、赵修建、王玉霞等对自清洁玻璃的制备、表征、改性等做了大量的研究。余家国采用Sol-Gel工艺在玻璃表面制得了均匀透明的TiO2光催化涂层。该涂层表面光滑平整,由TiO2纳米颗粒形成,其颗粒大小为50-100nm。但是,目前自清洁材料的产业化受到了一些技术上的制约:其在可见光下的光催化效率太低,TiO2膜的大面积制备技术也不够成熟,自清洁性能的持久性还有待提高等，因此，直接在材料表面进行纳米结构的构造可以有效的避开以上难题。荷叶效应原理：在荷叶的上表面布满非常多微小的乳突，乳突的平均大小约为6-8微米，平均高度约为11-13微米，平均间距约19-21微米。在这些微小乳突之中还分布有一些较大的乳突，平均大小约为53-57微米，它们也是由6-13微米大小的微型突起聚在一起构成。乳突的顶端均呈扁平状且中央略微凹陷。这种乳突结构用肉眼以及普通显微镜是很难察觉的，通常被称作多重纳米和微米级的超微结构。这些大大小小的乳突和突起在荷叶表面上犹如一个挨一个隆起的“小山包”，“小山包”之间的凹陷部分充满空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。水滴最小直径为1-2毫米（1毫米=1000微米），这相比荷叶表面上的乳突要大得多，因此雨水落到叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“小山包”的顶端形成几个点的接触，从而不能浸润到荷叶表面上。水滴在自身的表面张力作用下形成球状体，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，从而达到清洁叶面的效果。荷叶效应原理图：通过查阅资料对荷叶表面的结构特征有了清晰的认识，并且对荷叶效应的实质有了更深的了解，同时，收集不同材料光学处理达到纳米量级所需的理论波长，作为实验的参考数值，以减少实验进行的次数。四、本项目预期研究阶段安排及成果年度研究计划：2016.5-2016.7实验前期准备2016.7-2016.11进行实验2016.11-2017.3实验数据分析与产品制作2017.3-2017.5产品性能检测与结题五、经费概算支出项目金额（元）计算根据和理由资料费300需要查阅相关文献材料费600实验所需性能测试300产品的性能测试合计六、评审小组评审意见1.是否同意立项：A：是B：否2.如同意立项，立项类别：A：资助项目B：一般项目评委签字：年月日七、学生科研课题指导委员会意见经审核，同意资助该项目经费人民币元。签章：年月日