论文部分内容阅读
超疏水表面(SHPOS),即水的表观接触角大于150°,而接触角滞后(或者滚动角)小于10°的表面,例如自然界中的荷叶表面、甲壳虫的背部,蝴蝶的翅膀等,在近几年来已经成功引起了科研学者的广泛关注,对于此类表面的开发与应用也取得了重要的进展,例如用于自清洁、防污、抗冻和减阻等方面。但是,关于超疏水表面的设计、制备与应用,仍具有不少急需解决的问题。首先目前已有的超疏水表面的制备方法实用性较差,不仅需要精细的人工操作还需要复杂昂贵的仪器辅助,难以扩大化生产;其次,超疏水表面的疏水稳定性和耐久性也是阻碍其应用于实际的一大难题,一旦液层从Cassie-Baxter状态塌陷,其所具备的一系列独特性能将不复存在;最后,仅仅实现对水的排斥,仍不能满足日常衣物无污染、防指纹和抗生物污染等效果,因此还需要实现对油的排斥。因此,选择简易的方法,制备出同时具有高稳定的超疏水性和超疏油性的表面十分必要,即超双疏表面(SAPOS)。本论文则供了一种简易的浸涂技术,轻松的制备出了具有高稳定性和低黏附性的超疏水表面和超双疏表面。具体研究工作概括如下:(1)仿槐叶萍SHPOS的制备及其性能研究本工作通过模仿槐叶萍表面能持久保持水下超疏水效果的原理(即疏水的打蛋器结构的亲水顶部供能垒,防止液层塌陷)和猪笼草表面实现超润滑的原理(即润滑剂灌注在多孔表面供稳定润滑效果),设计并成功制备了结合两者特点的仿槐叶萍SHPOS表面,该表面通过利用硅油灌注的PDMS层作为润滑层来取代槐叶萍结构的亲水顶部,既保留了槐叶萍表面垂直方向上的能垒效果,又通过引入仿猪笼草表面的特点进一步减低了水平方向上对液滴的粘附。其中,该表面的稳定性通过液滴状态转变所需的最小外压的测量、液滴蒸发过程接触线的变化观察,液滴碰撞过程接触线的变化观察进行表征,而低黏附性则通过液滴的滚动角、微观后退角、移动过程所需克服粘滞力的测量来进行表征。最后,还通过微流体实验实际模拟了该表面在流体管道内的耐水压和减阻滑移效果。不仅为超疏水表面的设计供了新思路,也为实际应用供了量化依据。(2)仿蘑菇多孔SAPOS的制备及其性能研究本工作通过分析以蜡烛灰为模板的SAPOS和蘑菇状的SAPOS实现超双疏性质的原理,即由低表面能材料制备的纳米级内凹结构和微米级内凹结构,成功设计开发出了一种同时具备上述两种结构特点的SAPOS。该结构通过以粘弹性体PDMS作为连接层,利用一种简单的浸涂技术,成功地构造蘑菇状结构,并顺利地将以蜡烛灰为模板的多孔纳米级结构转移到蘑菇状微米级内凹结构顶部,获得仿蘑菇状多孔SAPOS表面。该表面相比于单一的以蜡烛灰为模板的多孔SAPOS表面和蘑菇状SAPOS表面,具有更低的液滴粘附性,包括高粘度的甘油和低表面张力的十四烷烃。该表面的成功开发,同样为超双疏表面的设计制备供了新思路。