【摘要】：潤濕性是固體表面基本特性之一,主要與表面自由能、表面形貌等因素有關(guān),分為親水和疏水兩個方向。低表面自由能是實現(xiàn)疏水表面的前提,表面形貌則是控制性因素。人類對超疏水的認識源于自然界,受此啟發(fā),具有流體減阻、防霧、防結(jié)冰以及自清潔等表面特性的仿生超疏水材料得到了人們的廣泛關(guān)注,并在生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域顯示出誘人的應(yīng)用前景。人們往往采用低表面能修飾和粗糙表面構(gòu)建兩種方法來實現(xiàn)表面的超疏水特性,更多的情況是兩者兼而有之。近年來,通過模板法、沉積法、刻蝕法等微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法,都可得到性能優(yōu)異的超疏水材料,但總體上存在實驗設(shè)備要求高、操作復(fù)雜,成本高,難以進行大面積制備且環(huán)境不友好等問題,在一定程度上限制了超疏水材料的實際應(yīng)用。因此,通過創(chuàng)新制備方法和簡化工藝過程來制備超疏水材料,將成為今后的研究熱點。本文基于潤濕性理論和磁控成型機理,采用磁控粗糙表面(Magnetic Roughness Surface,MRS)技術(shù)制備了超疏水薄膜,并對其疏水性進行了研究,具體內(nèi)容如下:(1)介紹了潤濕性的基本概念、自然界中典型的超疏水現(xiàn)象以及超疏水表面的應(yīng)用前景,然后針對仿生疏水表面技術(shù)研究現(xiàn)狀進行了綜述,提出了本文研究的意義和內(nèi)容。(2)分析了磁控成型機理,明確了磁控成型主要與外磁場的強度及梯度,磁性顆粒的磁化率、粒徑及含量等因素有關(guān);探究了磁控粗糙表面的制備方法,以聚二甲基硅氧烷為載體液,羰基鐵粉為分散相制備了多組MRS樣品。(3)介紹了潤濕性理論模型,建立了MRS規(guī)則鋸齒結(jié)構(gòu)模型,分析了鋸齒結(jié)構(gòu)的高寬比和間距比對表面疏水性的影響,通過COMSOL仿真軟件模擬了水滴在規(guī)則鋸齒結(jié)構(gòu)表面的潤濕行為。結(jié)果表明:固體表面具有較大高寬比和較小間距比的微觀結(jié)構(gòu),有利于提高表面疏水性能。(4)利用掃描電子顯微鏡(SEM)和接觸角測量儀對表面形貌和疏水性進行了表征分析。結(jié)果表明,在磁控成型機理作用下,MRS樣品表面具有隨機分布的微米級山狀突起結(jié)構(gòu),水滴接觸角從110°提高到158.2°,呈現(xiàn)超疏水特性;對MRS樣品開展的性能測試表明,樣品表面的滾動角小于10°,并且具有自清潔性能,樣品的超疏水性穩(wěn)定,且薄膜與基體結(jié)合牢固。(5)最后分析了固化磁場、羰基鐵粉的粒徑、羰基鐵粉的含量及薄膜厚度等因素對磁控粗糙表面疏水性的影響,進一步明確了實現(xiàn)表面疏水性的調(diào)控因素。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34
【圖文】：

子復(fù)眼的防霧性、蜘蛛絲的掛水能力、水黽腿的超疏水能力、荷葉的自清潔以人掌葉的霧水收集等[6]。下面簡單介紹幾種典型的超疏水現(xiàn)象：1) 荷葉“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”，這是北宋著名哲學(xué)家周敦頤對荷葉自清象的真實寫照。如圖 1.3(a)所示，滴落在荷葉表面的水滴，形成晶瑩剔透的水珠珠順勢滾動帶走荷葉表面的灰塵，使得荷葉表面保持清潔。盡管人們很早就觀荷葉的自清潔現(xiàn)象，但對其機理的認識卻比較晚。1997 年 Barthlott 和 Neinhuis次借助 SEM 對荷葉表面進行了觀察，發(fā)現(xiàn)荷葉表面上分布著高度為 10~20 μ微乳突結(jié)構(gòu)，每個乳突結(jié)構(gòu)表面覆蓋植物蠟，并指出這兩者共同作用使荷葉表有自清潔性，并稱這種現(xiàn)象為“荷葉效應(yīng)”。2002 年，江雷課題組[8]進一步發(fā)個微乳突結(jié)構(gòu)表面覆蓋有無數(shù)的平均直徑約為 100nm 的納米毛發(fā)，山谷表面納米毛發(fā)交錯的納米孔洞結(jié)構(gòu)，這種微納米復(fù)合多級結(jié)構(gòu)使得水滴在荷葉表有很大接觸角（約 161°）和很小的滾動角，賦予了荷葉表面完美的超疏水性清潔性，如圖 1.3(b)所示。

水黽水黽是少數(shù)具有“水上漂”特殊技能的昆蟲之一。如圖 1.4(a)所示，它通于池塘、溪流等水面，軀干瘦長，在六條細長腿的配合下，可以毫不費力地靜止站立、快速滑行乃至優(yōu)雅跳躍。為何水黽的“水上功夫”如此了得，這人們的極大興趣。2004 年江雷課題組[9]指出，水黽在水面上游走的本領(lǐng)與腿微結(jié)構(gòu)有關(guān)。他們深入研究發(fā)現(xiàn)，水黽腿上排列著數(shù)千根微米級針狀剛毛結(jié)些剛毛與表面呈 20°角的傾斜，直徑不足 3μm，并且每根剛毛由螺旋狀納米成，如圖 1.4(b)。正是這些微納復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠鎖住氣體，形成一層穩(wěn)定的空氣免了腿部表面與水的直接接觸，使其具有持久的、強度的超疏水能力。水黽水的體積是自身體積的 300 倍，單支腿可以在水面上獲得的支撐力是自身 15 倍，這使得水黽可以毫不費力的棲息于水面上，即使在湍急的水流中也沒。這一新的發(fā)現(xiàn)有助于設(shè)計出水上微型機器人，使疏水材料有了更加廣泛。

利用 SEM 對蚊子復(fù)眼進行了觀察，發(fā)現(xiàn)蚊子復(fù)眼表面分布著數(shù)百個直徑為 26 μm 的半球形感光小眼，并按照六方最密排列，且每個感光小眼微半球表面覆蓋著大量納米級乳頭，如圖1.5。與荷葉表面微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)相比，蚊子復(fù)眼表面的微結(jié)構(gòu)呈有序排列，并且微結(jié)構(gòu)間的空隙呈三角形，間距小于 3 μm，正是這種獨特的規(guī)則排列微納米結(jié)構(gòu)，在小霧滴與眼球表面間形成有效的屏障，使其具有優(yōu)異的超疏水性能以及特殊的防霧能力。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 徐U

本文編號：2770818