發(fā)布時(shí)間：2020-05-08 09:45

【摘要】：潤(rùn)濕性是固體表面的一個(gè)重要特性,表面的潤(rùn)濕性影響了很多的物理化學(xué)過程,它對(duì)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(yīng)用于建筑、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。近些年來,受到“荷葉效應(yīng)”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(chǔ),結(jié)合仿真模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了具有微結(jié)構(gòu)疏水表面潤(rùn)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(rùn)濕情況,基于復(fù)合和非復(fù)合潤(rùn)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(zhǎng)、間距、高度)與表面平衡表觀接觸角的數(shù)學(xué)關(guān)系式。并根據(jù)熱力學(xué)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(rùn)濕系統(tǒng)相對(duì)自由能的方程。分析了復(fù)合潤(rùn)濕狀態(tài)和非復(fù)合潤(rùn)濕狀態(tài)下的本征接觸角、幾何參數(shù)對(duì)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(rùn)濕狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明:復(fù)合潤(rùn)濕狀態(tài)下的表觀接觸角取決于微方柱的間距以及邊長(zhǎng)和材料自身的本征接觸角,非復(fù)合狀態(tài)的表觀接觸角還與微方柱的高度有關(guān)。在復(fù)合潤(rùn)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(zhǎng),均可提高表面的平衡表觀接觸角,增強(qiáng)表面的疏水性能。在非復(fù)合潤(rùn)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(xué)方程可得,存在臨界高度和臨界邊長(zhǎng),使得非復(fù)合狀態(tài)和復(fù)合狀態(tài)的相對(duì)表面自由能相等。當(dāng)微柱高度小于臨界高度或微柱邊長(zhǎng)大于臨界邊長(zhǎng)時(shí),非復(fù)合態(tài)的相對(duì)自由能比復(fù)合態(tài)小,系統(tǒng)處于非復(fù)合態(tài)較為穩(wěn)定。當(dāng)微柱高度大于臨界高度或微柱邊長(zhǎng)小于臨界邊長(zhǎng)時(shí),非復(fù)合態(tài)的相對(duì)自由能比復(fù)合態(tài)大,系統(tǒng)處于復(fù)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(chǎng)方法對(duì)液滴在微方柱表面的潤(rùn)濕過程進(jìn)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(duì)于表面潤(rùn)濕性以及動(dòng)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(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性模擬部分指出了復(fù)合潤(rùn)濕狀態(tài)和非復(fù)合潤(rùn)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(fù)合潤(rùn)濕狀態(tài)。當(dāng)微方柱的高度為35μm時(shí),臨界橫徑比為1;當(dāng)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(duì)應(yīng)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(huì)影響液滴在表面的動(dòng)態(tài)鋪展過程,對(duì)于高度較低的微方柱表面,較大的速度會(huì)導(dǎo)致液滴浸潤(rùn),液滴在表面由復(fù)合潤(rùn)濕轉(zhuǎn)換為非復(fù)合潤(rùn)濕狀態(tài)。對(duì)于高度較高的微方柱表面,浸潤(rùn)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(dāng)固體材料的本征接觸角為120°、液滴體積為11μL時(shí),較為理想的微柱間距、邊長(zhǎng)、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(duì)PS膜潤(rùn)濕性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)電紡產(chǎn)物為光滑纖維時(shí),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(shí),隨著聚合物溶液質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)聚苯乙烯溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%時(shí),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(qiáng)。
【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(xué)組影響。在過去的一百多年中，很多科研進(jìn)展都得益于科研人員研究，，其中潤(rùn)濕性是固體界面的一個(gè)基本屬性，在科學(xué)技術(shù)的形式，如分散［１］、摩擦［２］、吸附［３］、潤(rùn)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(xué)的植物學(xué)家Ｂａｒｔｈｌｏｔｔ［１３］首次提出荷葉是導(dǎo)致水滴在荷葉表面自由滾動(dòng)的原因。受“荷葉效應(yīng)”的啟發(fā)，的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)自然界中的很多生物為了適應(yīng)形狀的粗糙結(jié)構(gòu)表面。在固體表面構(gòu)筑的微納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)不性能［１４］，甚至可以實(shí)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(rùn)濕表面上的鋪展情況［１９】（標(biāo)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(rùn)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(shí)，液體完全浸潤(rùn)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(shí)，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(huì)很小。逡逑１．２．１．１靜態(tài)潤(rùn)濕性逡逑實(shí)際上
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O647

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2654493