基于面投影微立体光刻3D打印技术的仿生超疏水表面研究

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超疏水表面是指水滴在这种表面上的静态接触角超过150°的表面。由于具有超疏水性的表面在强化传热、表面流动减阻、油水分离、材料防腐以及微液滴操控等众多领域都具有广泛的应用前景,越来越多的人投入相关的研究之中。研究人员在长期的研究过程中已经发明提出了许多制备仿生超疏水表面的方法,如气相沉积法、电化学法、旋涂法、刻蚀技术及自组装方法等。本文受弹尾虫的表面超疏水现象启发,基于面投影微立体光刻3D打印技术成功制备了一种具有微蘑菇结构的超疏水表面,并系统研究和揭示了其超疏水的特性及机理。为仿生超疏水表面的可控制造与应用提供了一种新的制备手段和理论基础。主要研究内容如下:(1)受弹尾虫表面超疏液性质的启发,详细观测了其表皮的微结构,然后进行了精确的三维模型重构,最后利用面投影微立体光刻3D打印技术对其进行精准的加工制备。(2)详细表征了样品的形貌特征、粘附性以及浸润能力等性质。并基于格子玻尔兹曼方法系统研究揭示了所得蘑菇状结构超疏水机理以及影响表面浸润性的因素。实验证明制备的样品表面结构呈现很好的蘑菇状且具有超疏水的性质,水的接触角可以达到171°。并且所制备的表面还对水滴有很好的粘附作用,因此制备的表面也展现了“花瓣效应”,即使将样品表面翻转180°,样品上的水滴也不会掉落。(3)通过精确控制微结构的形貌、尺寸和间隙等特征参数,实现了对仿生表面的浸润性和粘附性的良好控制。水的接触角可以从55°到171°进行调控,对水的粘附力在71μN到99μN之间进行可控变化。基于此,探索了其在液滴无损转移、液滴融合以及作为微化学反应器的应用。(4)基于原有材料的基础,对其疏水改性进行探究,制备得到了接触角达到105°左右的具有疏水性质的树脂,并对该类表面的液滴弹跳现象进行了初步实验研究。综上所述,本文基于面投影微立体光刻3D打印技术制备了一种制备浸润性可控的仿弹尾虫超疏水表面。并针对该仿生功能表面的独特性质探索了其在微液滴操控等方面的应用,相关研究结果在生物医疗、分析化学、微流控这些方向都具有广阔的应用前景。
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