本文關(guān)鍵詞：微尺度生物表面疏水防霧機(jī)理與仿生設(shè)計制造

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【摘要】：結(jié)霧現(xiàn)象是指空氣中一定量的水蒸汽冷卻到露點(diǎn)以下，水蒸汽達(dá)到飽和時基材表面就會冷凝析出許多微小水滴。這些水滴一方面改變了基材表面的光學(xué)性質(zhì)，影響了透明基材的透光性，另一方面會使基材表面不同程度地變濕、從而引起潮濕、腐蝕等次生問題。目前主要的防霧方法是通過調(diào)制材料表面的潤濕性能，使基材表面高度親水或高度疏水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防霧目的。但親水性防霧方法無法改變其“濕”的本質(zhì)，因此，疏水性防霧方法逐漸被重視起來。 自然一直是工程創(chuàng)新的重要源泉，生物億萬年進(jìn)化的結(jié)果是其現(xiàn)存的功能與其結(jié)構(gòu)之間保持著最佳的匹配。師法自然無疑是解決工程難題的一條捷徑。本文從仿生學(xué)角度出發(fā)，以近水、多霧環(huán)境中的生物復(fù)眼和植物葉片作為考察對象，以腹色蜉復(fù)眼及茭白葉為生物原型，研究了其表面形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及潤濕防霧性能，在建立仿生模型的基礎(chǔ)上，闡釋了其疏水防霧機(jī)理，并利用激光干涉光刻法、軟刻蝕法及膠體刻蝕法制備了仿生結(jié)構(gòu)表面，在表征其形貌、結(jié)構(gòu)的同時，測試了其疏水防霧性能，為設(shè)計、制備新型疏水性防霧結(jié)構(gòu)表面提供理論基礎(chǔ)和新的思路。 全文共分8章： 在第1章中，主要介紹了疏水性防霧研究的重要意義，以及主要的應(yīng)對策略，重點(diǎn)歸納了疏水性防霧涂層技術(shù)及結(jié)構(gòu)防霧方法研究進(jìn)展，同時對自然超疏水表面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理、歸納，尤其總結(jié)了仿生微結(jié)構(gòu)疏水性能的研究進(jìn)展。 第2章主要是樣本的選擇和疏水防霧性能的測試。樣本選擇以功能與環(huán)境相適應(yīng)原則為依據(jù)，重點(diǎn)考察潮濕、近水、多霧的環(huán)境中的生物，如蜉蝣、葉蟬、水黽、豆娘等生物復(fù)眼，以及葦葉、竹葉、茭白葉、睡蓮葉等植物葉片。利用接觸角測量及模擬防霧測試方法檢測其表面的疏水防霧性能，結(jié)果表明，生活在四川省近水多霧環(huán)境中的腹色蜉復(fù)眼表面呈現(xiàn)出良好的疏水防霧性能，連續(xù)加霧10min，其復(fù)眼表面無水珠聚集、并保持干燥；在浙江淡水中生長的茭白葉表面靜態(tài)接觸角（CA）值為151.5±3°，滾動角約為5°，顯示出優(yōu)良的超疏水性能及一定的防霧性能。 第3章主要內(nèi)容是利用體視顯微鏡、掃描電鏡（SEM）及激光共聚焦顯微鏡對典型生物復(fù)眼表面及植物葉片表面形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。腹色蜉復(fù)眼表面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是復(fù)眼總體外形呈橢球形，由數(shù)百個小眼緊密排列組成，小眼結(jié)構(gòu)類似，分為上下兩部分，上部為近似半球形，下部近似圓臺形，小眼基部直徑約20μm，上部半球直徑約為16μm，小眼總體高度在14μm左右，小眼表面無更微細(xì)納米級結(jié)構(gòu)。茭白葉的表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其表面是一種典型的分級結(jié)構(gòu)，宏觀亞毫米溝槽結(jié)構(gòu)是第一級結(jié)構(gòu)，溝槽寬為270μm，深為40μm，溝槽表面的微米級凸起結(jié)構(gòu)是第二級結(jié)構(gòu)，凸起結(jié)構(gòu)直徑在10μm，高為6μm，間距為13μm。另外，葉片表面覆蓋一層納米級蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)是第三級結(jié)構(gòu)。二者結(jié)構(gòu)共性之處是都具有微米尺度的凸起結(jié)構(gòu)。 第4章是基于第3章表征結(jié)構(gòu)提供的特征尺寸，在建立了仿生模型的基礎(chǔ)上，利用Cassie模型解釋了腹色蜉復(fù)眼表面疏水防霧機(jī)理以及茭白葉表面超疏水防霧性能機(jī)理。腹色蜉復(fù)眼表面疏水防霧是由于其表面角膜幾丁質(zhì)本征疏水，凸起小眼呈六方緊密排列，小眼尺寸決定微米尺寸霧滴不能直接接觸復(fù)眼基底，因此大量空氣被截留在霧滴和小眼之間，有助于霧滴的反彈，另橢球形外形，也易于霧滴滾落。茭白葉表面的疏水防霧機(jī)理在于蠟質(zhì)層的存在，以及分級結(jié)構(gòu)使其表面達(dá)到了足夠的粗糙程度，從而實(shí)現(xiàn)表面超疏水及防霧性能。 第5章利用三光束激光干涉光刻技術(shù)在單晶硅基底表面制備了平面型仿腹色蜉復(fù)眼表面，討論了激光能量及曝光時間對加工表面形貌的影響，并測試了仿生表面疏水性能及防霧性能。結(jié)果表明，激光能量為40mJ，曝光時間為15s形貌最優(yōu)。利用質(zhì)量百分比為5%的HF清洗掉加工過程形成的二氧化硅，該仿生表面具有較強(qiáng)的疏水性能，其CA值可以達(dá)到120°以上，與理論計算值相符，并表現(xiàn)出一定的疏水防霧性能。 第6章利用軟刻蝕法制備了PDMS材質(zhì)人工茭白葉表面。首先以茭白葉表面為模板獲得彈性印章，即茭白葉表面反結(jié)構(gòu)，之后利用復(fù)制模塑法獲得了茭白葉表面正結(jié)構(gòu)，即人工茭白葉表面。該方法較好地復(fù)制了茭白葉表面亞毫米、微米分級結(jié)構(gòu)，其CA值達(dá)到144.1°，獲得了與天然茭白葉相近的疏水性能，且具有較強(qiáng)的疏水防霧功能，能譜分析顯示其表面沒有殘留F元素，納米結(jié)構(gòu)缺失的主要原因是蠟質(zhì)在加熱干燥過程中熔化，并對軟刻蝕法復(fù)制生物材料表面適用性進(jìn)行了討論。 第7章利用膠體刻蝕技術(shù)在聚酯塑料（PET）基底表面制備了3種尺度納米凸起陣列結(jié)構(gòu)。首先，利用乳液聚合法制備了直徑分別為200nm，350nm和580nm的聚苯乙烯（PS）微球，之后利用氣液界面法自組裝聚苯乙烯晶體，利用等離子刻蝕技術(shù)獲得了納米凸起陣列結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行氟化處理。最后測量了3個陣列表面的靜、動態(tài)潤濕性能及防霧性能，結(jié)果表明，特征尺寸為350nm的納米乳突陣列靜態(tài)CA值可達(dá)155±2°，滾動角（SA）值約為5°，表現(xiàn)出優(yōu)良的超疏水性能，且具有良好的防霧功能。 第8章對全文所研究內(nèi)容做出總結(jié)，包括得出的主要結(jié)論，主要創(chuàng)新點(diǎn)及對后續(xù)研究提出幾點(diǎn)展望。
【關(guān)鍵詞】：仿生 疏水 防霧 復(fù)眼 腹色蜉 茭白葉
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：Q811
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 緒論15-27
• 1.1 選題的目的和意義15-16
• 1.2 疏水性防霧方法研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.1 防霧方法分類16-17
• 1.2.2 疏水涂層防霧方法研究現(xiàn)狀17
• 1.2.3 微結(jié)構(gòu)防霧方法研究現(xiàn)狀17-19
• 1.3 仿生微結(jié)構(gòu)疏水功能表面研究現(xiàn)狀19-24
• 1.3.1 自然超疏水結(jié)構(gòu)表面20-22
• 1.3.2 仿生微結(jié)構(gòu)疏水性能研究22-23
• 1.3.3 仿生超疏水表面的常用制備方法23-24
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容24-27
• 第2章 典型生物功能表面防霧、潤濕性能測試27-47
• 2.1 樣本選擇及樣本生物學(xué)描述27-29
• 2.1.1 典型生物樣本選擇27-28
• 2.1.2 復(fù)眼角膜及植物葉片表皮結(jié)構(gòu)與功能28-29
• 2.2 典型生物表面防霧性能、潤濕性能測試方法29-31
• 2.2.1 防霧性能測試方法及防霧等級判定標(biāo)準(zhǔn)29-31
• 2.2.2 潤濕性能測試試驗(yàn)31
• 2.3 典型生物表面防霧性能、潤濕性能測試結(jié)果與分析31-44
• 2.3.1 昆蟲復(fù)眼表面防霧性能測試結(jié)果與分析31-41
• 2.3.2 植物葉片表面潤濕性能測試結(jié)果與分析41-43
• 2.3.3 植物葉片表面防霧性能測試結(jié)果與分析43-44
• 2.4 本章小結(jié)44-47
• 第3章 疏水防霧生物功能表面微觀結(jié)構(gòu)特性分析47-61
• 3.1 微觀結(jié)構(gòu)表征工具及制樣過程47
• 3.2 典型生物復(fù)眼表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)47-53
• 3.2.1 典型復(fù)眼樣本體視顯微鏡分析47-50
• 3.2.2 腹色蜉復(fù)眼表面、小綠葉蟬復(fù)眼表面 SEM 分析50-52
• 3.2.3 典型生物復(fù)眼表面激光共聚焦顯微鏡分析52-53
• 3.3 典型植物葉片表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)53-58
• 3.3.1 茭白葉片表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)53-56
• 3.3.2 葦葉、竹葉、睡蓮葉 SEM 分析56-58
• 3.4 本章小結(jié)58-61
• 第4章 疏水防霧生物功能表面機(jī)理分析61-81
• 4.1 固體表面潤濕性相關(guān)理論61-64
• 4.1.1 影響固體表面潤濕性的因素61
• 4.1.2 理想固體表面潤濕模型-Young 模型61-62
• 4.1.3 可描述固體表面疏水狀態(tài)的潤濕模型62-64
• 4.2 疏水防霧生物功能表面模型64-67
• 4.2.1 典型生物復(fù)眼表面模型65-66
• 4.2.2 典型植物葉片表面模型66-67
• 4.3 典型生物復(fù)眼表面疏水防霧機(jī)理分析67-74
• 4.3.1 腹色蜉復(fù)眼表面疏水性防霧理論分析67-69
• 4.3.2 小綠葉蟬等昆蟲復(fù)眼疏水機(jī)理分析69-71
• 4.3.3 三種復(fù)眼表面潤濕模型71
• 4.3.4 小眼本征接觸角對疏水性能的影響71-72
• 4.3.5 小眼尺寸對疏水性能的影響72-74
• 4.4 典型植物葉片疏水防霧機(jī)理分析74-78
• 4.4.1 茭白葉片疏水防霧機(jī)理分析74-76
• 4.4.2 茭白葉片表面蠟質(zhì)層對疏水性能的影響76-77
• 4.4.3 葉片表面結(jié)構(gòu)對疏水性能的影響77-78
• 4.5 本章小結(jié)78-81
• 第5章 激光干涉光刻法制備仿生復(fù)眼表面81-93
• 5.1 引言81-82
• 5.2 仿生復(fù)眼表面制備原理及數(shù)值模擬82-86
• 5.2.1 激光干涉相關(guān)原理82-84
• 5.2.2 干涉類型的選擇及光路計算84-85
• 5.2.3 人工復(fù)眼表面數(shù)值模擬85-86
• 5.3 仿生復(fù)眼表面制備過程及表面形態(tài)86-89
• 5.3.1 三光束激光干涉系統(tǒng)搭建86-87
• 5.3.2 參數(shù)對激光干涉結(jié)果的影響87-88
• 5.3.3 仿生復(fù)眼表面 SEM 觀察88-89
• 5.4 仿生復(fù)眼表面性能測試89-91
• 5.4.1 HF 刻蝕及 CA 測量89-90
• 5.4.2 模擬防霧性能測試90-91
• 5.5 本章小結(jié)91-93
• 第6章 軟刻蝕法制備仿植物葉片疏水表面93-105
• 6.1 引言93
• 6.2 人工植物葉片表面制備93-95
• 6.2.1 人工植物葉片反結(jié)構(gòu)的制備93-94
• 6.2.2 人工植物葉片正結(jié)構(gòu)的制備94-95
• 6.3 PDMS 植物葉片疏水表面95-100
• 6.3.1 SEM 分析95-99
• 6.3.2 激光共聚焦分析99
• 6.3.3 能譜分析99-100
• 6.4 PDMS 植物葉片表面性能測試與分析100-103
• 6.4.1 潤濕性能測試100-101
• 6.4.2 防霧性能測試101-102
• 6.4.3 軟刻蝕法復(fù)制生物材料表面適用性討論102-103
• 6.5 本章小結(jié)103-105
• 第7章 膠體刻蝕法制備仿生疏水納米凸起陣列結(jié)構(gòu)表面105-113
• 7.1 仿生疏水納米凸起陣列的制備105-107
• 7.1.1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)儀器105
• 7.1.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)過程105-107
• 7.2 仿生納米凸起陣列結(jié)構(gòu)表面107-109
• 7.2.1 仿生納米凸起陣列結(jié)構(gòu)表面形成的物理過程107
• 7.2.2 仿生納米凸起陣列結(jié)構(gòu)表面 SEM 表征107-109
• 7.3 仿生納米凸起陣列結(jié)構(gòu)潤濕及防霧性能測試109-111
• 7.3.1 靜態(tài)接觸角測量109-110
• 7.3.2 滾動角測量110-111
• 7.3.3 防霧性能測試111
• 7.4 本章小結(jié)111-113
• 第8章 結(jié)論113-115
• 8.1 主要結(jié)論113-114
• 8.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)114
• 8.3 研究展望114-115
• 參考文獻(xiàn)115-131
• 作者簡介131-133
• 攻讀博士學(xué)位期間的研究成果133-135
• 致謝135

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1033994