【摘要】：潤濕性是固體表面的一個重要特性,表面的潤濕性影響了很多的物理化學過程,它對人類的生產(chǎn)生活起著重要的作用。疏水表面由于具有自清潔、抗磨等優(yōu)良性能,可廣泛應用于建筑、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。近些年來,受到“荷葉效應”的啟發(fā),科研人員一直致力于獲得疏水性更好的表面。本文主要通過理論分析作為研究基礎,結(jié)合仿真模擬和實驗方法研究了具有微結(jié)構(gòu)疏水表面潤濕性的影響因素,主要完成的工作及所得結(jié)論如下:(1)研究微方柱固體表面上液滴的潤濕情況,基于復合和非復合潤濕狀態(tài)下物理模型的幾何條件和力平衡原理,建立了微方柱結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)(邊長、間距、高度)與表面平衡表觀接觸角的數(shù)學關(guān)系式。并根據(jù)熱力學原理,建立了微方柱結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、表觀接觸角與潤濕系統(tǒng)相對自由能的方程。分析了復合潤濕狀態(tài)和非復合潤濕狀態(tài)下的本征接觸角、幾何參數(shù)對表觀接觸角的影響,并根據(jù)微方柱幾何參數(shù)的變化討論了疏水表面兩種潤濕狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明:復合潤濕狀態(tài)下的表觀接觸角取決于微方柱的間距以及邊長和材料自身的本征接觸角,非復合狀態(tài)的表觀接觸角還與微方柱的高度有關(guān)。在復合潤濕狀態(tài)下,增大本征接觸角和微方柱間距或者減小微方柱邊長,均可提高表面的平衡表觀接觸角,增強表面的疏水性能。在非復合潤濕狀態(tài)下,增大微方柱高度也可使表觀接觸角增大。由熱力學方程可得,存在臨界高度和臨界邊長,使得非復合狀態(tài)和復合狀態(tài)的相對表面自由能相等。當微柱高度小于臨界高度或微柱邊長大于臨界邊長時,非復合態(tài)的相對自由能比復合態(tài)小,系統(tǒng)處于非復合態(tài)較為穩(wěn)定。當微柱高度大于臨界高度或微柱邊長小于臨界邊長時,非復合態(tài)的相對自由能比復合態(tài)大,系統(tǒng)處于復合態(tài)較為穩(wěn)定。(2)采用數(shù)值模擬方法,利用COMSOL Multiphysics中的相場方法對液滴在微方柱表面的潤濕過程進行兩相流模擬。分別討論了表面的本征接觸角、微方柱的橫徑比、深徑比以及液滴的初始速度對于表面潤濕性以及動態(tài)過程的作用。其中,模擬所得表觀接觸角的數(shù)值與第二章中相關(guān)理論的分析結(jié)果基本吻合。動態(tài)潤濕性模擬部分指出了復合潤濕狀態(tài)和非復合潤濕狀態(tài)的轉(zhuǎn)變臨界條件:存在臨界橫徑比和臨界深徑比使得液滴在微方柱表面可以維持復合潤濕狀態(tài)。當微方柱的高度為35μm時,臨界橫徑比為1;當微方柱的間距為50μm,臨界深徑比為0.7。在液滴撞擊表面的過程中,更大的橫徑比意味著更大的鋪展、回縮速率以及更大的最大鋪展直徑,但更大的深徑比對應的是更小的鋪展和回縮速率以及更小的最大鋪展直徑。不同的初速度會影響液滴在表面的動態(tài)鋪展過程,對于高度較低的微方柱表面,較大的速度會導致液滴浸潤,液滴在表面由復合潤濕轉(zhuǎn)換為非復合潤濕狀態(tài)。對于高度較高的微方柱表面,浸潤速度大于回彈速度,液滴在固體表面易發(fā)生回彈。結(jié)合第二章、第三章的結(jié)論得出,當固體材料的本征接觸角為120°、液滴體積為11μL時,較為理想的微柱間距、邊長、高度組合為50μm、50μm、50μm。(3)利用電噴技術(shù)制備出不同直徑、不同形貌的聚苯乙烯(PS)纖維表面以及不同密度的PS微球表面。分析了纖維的直徑、形貌以及微球的密度對PS膜潤濕性能的影響。實驗結(jié)果表明:當電紡產(chǎn)物為光滑纖維時,隨著纖維平均直徑的增大,靜態(tài)接觸角減小。在電紡產(chǎn)物為帶串珠的纖維時,隨著聚合物溶液質(zhì)量分數(shù)的增大,串珠的數(shù)量減少,串珠的形狀趨于纖維的扁平狀,粗糙度降低,靜態(tài)接觸角隨之減少。當聚苯乙烯溶液的質(zhì)量分數(shù)小于5%時,電紡產(chǎn)物為微球,纖維上微球密度的增加,表面粗糙度隨之增大,表面的靜態(tài)接觸角逐漸增加。制備的PS膜局部微結(jié)構(gòu)可類比為第二章中的微方柱結(jié)構(gòu),隨著PS膜的特征尺寸即微方柱結(jié)構(gòu)尺寸的減小,微結(jié)構(gòu)之間包裹的空氣增多,疏水性增強。
【圖文】：

景與意義逡逑，很多重要的物理現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，表面的結(jié)構(gòu)和化學組影響。在過去的一百多年中，很多科研進展都得益于科研人員研究，，其中潤濕性是固體界面的一個基本屬性，在科學技術(shù)的形式，如分散［１］、摩擦［２］、吸附［３］、潤滑［４］等，在很多方面都有［５］、催化［６］、涂飾［７，８］、織紡［９］、防水［１Ｑ］、防冰［１１］、生物醫(yī)用［１２］、減阻、抗磨等優(yōu)良性能，一直受到了研究者的廣泛關(guān)注。逡逑七十年代，來自波恩大學的植物學家Ｂａｒｔｈｌｏｔｔ［１３］首次提出荷葉是導致水滴在荷葉表面自由滾動的原因。受“荷葉效應”的啟發(fā)，的微觀結(jié)構(gòu)進行研究。研究發(fā)現(xiàn)自然界中的很多生物為了適應形狀的粗糙結(jié)構(gòu)表面。在固體表面構(gòu)筑的微納米級粗糙結(jié)構(gòu)不性能［１４］，甚至可以實現(xiàn)親水表面向疏水表面的轉(zhuǎn)換［１５，１６］。逡逑

邐（ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１．２液滴在不同潤濕表面上的鋪展情況［１９】（標尺為１ｍｍ）逡逑（ａ）親水表面；（ｂ）超親水表面；（ｃ）疏水表面；（ｄ）超疏水表面逡逑一般采用接觸角表征表面的潤濕性，接觸角是指在固、液、氣三相交界處，自固液界逡逑面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角。一般來說，接觸角小于９０°的表面稱為親水表面，如圖逡逑１．２邋（ａ）所示；其中接觸角小于５°時，液體完全浸潤固體表面，這種表面稱為超親水表面，逡逑如圖１．２邋（ｂ）所示。接觸角大于９０°的表面稱為疏水表面，如圖１．２邋（ｃ）所示。其中接觸角逡逑大于１５０°的表面被稱為超疏水表面，如圖１．２邋（ｄ）所示。液滴十分容易在親水表面上鋪展，逡逑接觸角越小，鋪展面積越大；與此同時，液滴不容易在疏水表面上鋪展，尤其在超疏水表逡逑面上，液滴與固體的接觸面積會很小。逡逑１．２．１．１靜態(tài)潤濕性逡逑實際上
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O647

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王剛;賈志海;賀吉昌;雷威;蔡泰民;;微結(jié)構(gòu)疏水表面的液滴浸潤特性[J];上海理工大學學報;2015年06期

2 HAO PengFei;LV CunJing;NIU FengLei;YU Yu;;Water droplet impact on superhydrophobic surfaces with microstructures and hierarchical roughness[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2014年07期

3 李大樹;仇性啟;于磊;許京;段小龍;鄭志偉;;噴霧液滴撞壁研究綜述[J];工業(yè)加熱;2014年02期

4 楊寶海;朱恂;王宏;廖強;丁玉棟;陳蓉;;不同直徑液滴撞擊親水壁面動態(tài)特性實驗研究[J];工程熱物理學報;2014年01期

5 鄭云;潘志明;王心晨;;國內(nèi)光催化研究進展簡述(英文)[J];催化學報;2013年03期

6 楊寶海;王宏;朱恂;丁玉棟;周勁;;速度對液滴撞擊超疏水壁面行為特性的影響[J];化工學報;2012年10期

7 田菲菲;胡安民;李明;毛大立;;電化學沉積法制備超疏水鎳薄膜[J];復旦學報(自然科學版);2012年02期

8 李石德;;計算流體力學網(wǎng)格劃分方法的現(xiàn)狀與發(fā)展[J];科技信息;2011年18期

9 楊常衛(wèi);郝鵬飛;何楓;;微結(jié)構(gòu)超疏水表面液滴的運動性質(zhì)[J];科學通報;2009年04期

10 鄭傲然;周明;楊加宏;;仿生超疏水表面的制備及潤濕性研究[J];功能材料;2007年11期

相關(guān)博士學位論文 前5條

1 郭滿滿;含金屬微納米材料的快速制備及其光/電化學性能研究[D];湖南師范大學;2016年

2 宋東;超疏水表面界面潤濕行為與減阻特性研究[D];西北工業(yè)大學;2016年

3 蔣成剛;仿生超疏水表面濕潤性研究及應用[D];大連理工大學;2014年

4 李西營;液滴撞擊固體壁面的實驗及理論研究[D];大連理工大學;2010年

5 李小兵;仿生結(jié)構(gòu)表面接觸角與化學法修飾醫(yī)用聚合物潤濕性研究[D];南昌大學;2009年

相關(guān)碩士學位論文 前5條

1 楊政威;表面微結(jié)構(gòu)對界面潤濕特性的影響研究[D];西安理工大學;2017年

2 張慧;液滴在隨機粗糙表面的鋪展動力學仿真研究[D];蘇州大學;2015年

3 宋昊;疏水表面微結(jié)構(gòu)設計與微銑削加工技術(shù)研究[D];山東大學;2015年

4 秦亮;親/疏水表面上液滴接觸角滯后的研究[D];大連理工大學;2012年

5 劉明嘉;噴霧液滴撞壁模擬研究[D];武漢理工大學;2012年

本文編號：2654493