本文選題：超疏水 + 接觸角��； 參考：《吉林大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：對(duì)固體表面浸潤(rùn)性的調(diào)控一直以來受到科學(xué)界和工程界的廣泛關(guān)注。通過調(diào)節(jié)材料表面的浸潤(rùn)性,我們能夠獲得具備自清潔、反生物污染等性能的材料。調(diào)整固體表面化學(xué)性質(zhì)和粗糙度,能夠改變固體表面的浸潤(rùn)性。自然界中,液滴能從某些覆蓋有纖毛結(jié)構(gòu)的植物葉片表面滑落,而水黽獨(dú)特的纖毛狀腿部結(jié)構(gòu)賦予了它在水面上行走的能力。這兩個(gè)不同實(shí)例的共性,就是植物葉片和昆蟲腿部都覆蓋有細(xì)小的纖毛。基于這些仿生學(xué)的研究,覆蓋有纖毛狀結(jié)構(gòu)的表面材料在實(shí)驗(yàn)室中被制備出來。纖毛狀表面粗糙度和纖毛形狀、彈性與材料浸潤(rùn)性具有密切關(guān)系。但目前影響纖毛狀表面材料浸潤(rùn)性的機(jī)理尚不明確,存在爭(zhēng)議,所以明確影響纖毛狀表面材料浸潤(rùn)性的因素,才能為設(shè)計(jì)抗浸潤(rùn)材料提供有效途徑。研究揭示,通過改良和優(yōu)化表面粗糙結(jié)構(gòu)的幾何形狀,很多原本非疏水材料的疏水性能夠得到了質(zhì)的提升,甚至可以抵抗低表面張力液體(比如油類液體)的浸潤(rùn)。本文利用粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)方法,研究了影響不同形狀纖毛接枝表面浸潤(rùn)性的各項(xiàng)因素,如長(zhǎng)度、接枝密度及硬度等,并提出了一套適用于分析纖毛狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)算法。本論文主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)研究了影響線形纖毛接枝表面浸潤(rùn)性的因素。發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整纖毛的接枝密度、長(zhǎng)度和硬度等性質(zhì),纖毛接枝表面的非浸潤(rùn)性能夠得到大幅提升。當(dāng)液滴停留在纖毛頂端時(shí),纖毛之間會(huì)自發(fā)聚集形成纖毛束來調(diào)控材料表面的浸潤(rùn)性。我們繪制了液滴接觸角隨著纖毛長(zhǎng)度和接枝密度變化的相圖。同時(shí)我們揭示了纖毛有序度和接觸角的關(guān)系。不同于剛性硬固體表面和接有純?nèi)嵝枣湽腆w表面,纖毛本身硬度具有可調(diào)節(jié)性。從這個(gè)角度看,我們對(duì)纖毛狀表面材料的模擬填補(bǔ)了柔性固體表面模擬和剛性固體表面模擬之間的空白。(2)研究了不同纖毛的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)纖毛狀表面材料浸潤(rùn)性的影響,并提出了一套適用于計(jì)算機(jī)模擬的分析表面粗糙結(jié)構(gòu)的方法。我們分別對(duì)梳型、Y形和線形纖毛進(jìn)行模擬。觀察到不同幾何形狀的纖毛會(huì)自組裝形成不同的表面結(jié)構(gòu),如網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)、纖毛束等。根據(jù)纖毛硬度不同,纖毛被分成硬纖毛和軟纖毛兩大類。不同硬度纖毛,影響其浸潤(rùn)性的主要因素差異很大。對(duì)硬纖毛而言,接觸角主要依賴于表層纖毛粒子的密度;而軟纖毛接觸角則主要依賴于液滴下方固體表面的性質(zhì),如纖毛束或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、纖毛束之間的距離以及表層非浸潤(rùn)面積等。為了表征網(wǎng)絡(luò)狀纖毛結(jié)構(gòu),我們開發(fā)了一套計(jì)算表層網(wǎng)絡(luò)狀纖毛結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)數(shù)量的算法。我們?cè)谘芯恐杏^察到,某些特定情況下,纖毛能夠自發(fā)形成局部凹陷結(jié)構(gòu)(re-entrant structure)。通過研究也表明,能夠強(qiáng)烈抵抗液滴浸潤(rùn)的固體表面不一定具有極高的接觸角。(3)研究了環(huán)狀纖毛的硬度、排布方式以及多分散性對(duì)環(huán)狀纖毛接枝表面材料的浸潤(rùn)性的影響,并利用我們提出的表征方法對(duì)纖毛結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。我們分別對(duì)規(guī)則排布、隨機(jī)排布環(huán)形纖毛接枝表面,以及具備不同分散性纖毛接枝表面進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示,規(guī)則排布的單分散纖毛能夠在平板表面形成規(guī)則的溝槽狀結(jié)構(gòu),而隨機(jī)排布的單分散纖毛則形成更加無規(guī)則的結(jié)構(gòu)。為研究方便,我們將環(huán)形纖毛接枝表面根據(jù)硬度不同,分為軟纖毛接枝表面和硬纖毛接枝表面。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),環(huán)形結(jié)構(gòu)是提升較軟纖毛狀表面非浸潤(rùn)性的有效途徑。而多分散纖毛接枝的表面,其浸潤(rùn)性則歸因于長(zhǎng)纖毛對(duì)液滴下表面的支撐能力。
[Abstract]:The infiltration of solid surface has been widely concerned by the scientific and engineering circles. By adjusting the wettability of the surface of the material, we can obtain materials with the properties of self cleaning and anti biological pollution. The chemical properties and roughness of the solid surface can be adjusted to change the wettability of the solid surface. In nature, the droplets can be derived from the natural surface. The surface of some plants with ciliated structure slips, and the unique ciliated leg structure of water gives it the ability to walk on the surface of the water. These two different examples are that plant leaves and insect legs are covered with fine cilia. Based on these bionics, surface materials with ciliated structure are covered. In the laboratory, the roughness and cilia shape of the fibrous surface are closely related to the wettability of the material. However, the mechanism that affects the wettability of the fibrous surface materials is not clear and controversial, so that the factors that affect the wettability of the wool like surface materials can provide an effective way for the design of anti infiltrating materials. The study reveals that by improving and optimizing the geometry of the surface roughness structure, many original non hydrophobic materials can improve the hydrophobicity and even resist the infiltration of low surface tension liquids, such as oil liquids. In this paper, the influence of the surface infiltration of different cilia grafted surfaces on the surface infiltration of different shapes of cilia was studied by using the coarse grained molecular dynamics method. Various factors, such as length, grafting density and hardness, etc., and a set of computer algorithms for the analysis of ciliate structures are proposed. The main contents of this paper are as follows: (1) the factors affecting the surface wettability of the linear cilia grafting are studied. The non wettability can be greatly enhanced. When the droplets stay at the top of the cilia, the cilia will spontaneously gather and form a cilia bundle to regulate the wettability of the material surface. We draw the phase diagram of the droplet contact angle with the length of the cilia and the grafting density. We also reveal the relationship between the order of the fiber and the contact angle. Different Yu Gang The hardness of the cilium itself is adjustable. From this point of view, our simulation of ciliated surface materials fills the gap between the flexible solid surface simulation and the rigid solid surface simulation. (2) the infiltration of the geometric structure of the cilia to the wool like surface material is studied. A set of methods for the analysis of surface roughness structure suitable for computer simulation is proposed. We simulate the comb, Y and linear cilia respectively. It is observed that the cilia of different geometries are self assembled to form different surface structures, such as network structure, cilium and so on. The cilia are divided into hard cilia according to the hardness of cilia. There are two major categories of soft cilia. The main factors affecting their wettability vary greatly. For the hard cilia, the contact angle is mainly dependent on the density of the surface ciliated particles, while the contact angles of the soft cilia are mainly dependent on the properties of the solid surface below the droplets, such as the strength of the ciliated or network structures, the distance between the fibers and the fibers. In order to characterize the network ciliated structure, we have developed a set of algorithms to calculate the number of intersections of the surface ciliated ciliated structures. In our study we have observed that the cilia can spontaneously form a local depression structure (re-entrant structure) in some specific cases. The surface of the soakage solid does not necessarily have high contact angle. (3) the hardness of the cilia, the mode of arrangement and the infiltration of the polydispersity on the surface material of the ring ciliary grafted surface are studied, and the structure of the cilium is analyzed by our method of characterization. The results show that the regular dispersed cilia can form a regular grooves on the surface of the plate, while the randomly arranged monodisperse cilia form a more irregular structure. The results show that the ring structure is an effective way to improve the non wettability of the soft ciliated surface, while the surface of the polydisperse cilia is attributed to the support capacity of the long cilia on the surface of the droplet.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O647.5

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本文編號(hào)：2003126