论文部分内容阅读
近年来,微流控技术因在生物、医疗、化学等领域具有极大的应用价值而备受关注,液滴的精准调控是微流控技术实际应用的核心。智能超润滑材料可在外界环境刺激下用于液滴行为的智能调控,在水滴收集、液体传输以及液滴操控等微流控技术领域显示出广阔的应用前景。然而,目前智能超润滑表面的构筑仍然存在诸多问题:(1)润滑剂与基材之间的作用力较弱,导致超润滑表面润滑剂易流失;(2)响应速率慢,且难以制备集液滴处理、液体输送、混合与微液滴反应等多功能于一体的液滴调控平台;(3)多数智能超润滑表面液滴滑动路径单一,润湿性能转变机制匮乏。因此,构建新型的高性能智能超润滑表面具有十分重要的意义。针对以上问题,本文基于分子结构设计思想,以实现超润滑表面液滴智能调控为目标,首先从构建响应型润滑剂和智能聚合物基材两个角度出发,制备了可见光/磁响应型超润滑表面与UV响应型超润滑表面。在此基础上,将偶氮苯结构引入聚合物主链中,并辅以光掩模版,构建了具有可控液滴传输路径的智能超润滑表面。进而将功能微粒与功能单体引入交联网状结构的基材中,制备了近红外光(NIR)快速响应型超润滑表面,实现了集液滴移取、混合与反应等多功能于一体的综合性智能超润滑表面的构建。最后,通过接枝聚合的方法将柔性聚硅氧烷链与温敏型聚合物接枝到基底表面,构建了热响应型“Liquid-like”(类似液体)表面,解决了超润滑表面润滑剂易流失的问题,并实现了对液滴运动行为的智能调控。主要研究内容如下:从设计新型相转变润滑剂的角度出发,采用离子交换法制备了氟代离子液体,随后将其浸润到复合了磁性纳米粒子的含氟共聚物基材中,构建了光热/磁热双重响应型超润滑表面(MPRSs)。通过力学性能、表面形貌分析、以及接触角(CA)考察了基材的自修复性能与表面润湿性能的转变和液滴运动行为的智能调控。结果表明:基于Fe3O4纳米粒子优异的光热、磁热效应,通过在光照或磁场作用下调节基材表面温度来改变氟代离子液体的相态,可以实现表面润湿性能的转变(疏水-超润滑)以及液滴运动行为的动态调控(粘附-滑动)。在72℃加热4 h后,基材断裂应力修复效率达70%,断裂伸长率修复率达80%。在-15℃环境下,MPRSs表面单个液滴结冰时间可延缓至3605 s,为普通玻璃片表面的156倍,表现出优异的全疏液性能、自清洁性能、自修复性能与防覆冰性能。从构建功能响应性基材的角度出发,通过无规共聚的方法将UV响应官能团-香豆素引入聚合物侧链中,随后交联固化并浸润植物油制备了 UV响应型超润滑表面(SMEMG)。考察了超润滑表面自修复性能与润滑液自填充性能,探究了UV光照射下,润滑液的可控释放对液滴运动行为的影响。结果表明:365nm UV光照射3 h后,断裂的SMEMG可通过香豆素官能团间的光二聚反应实现重构,且其内部润滑油可自动填充至受损区域,促使恢复表面润滑性能,表现出优异的UV响应自修复性能与润滑油自填充性能。通过调控UV光照射下润滑剂的释放,可实现对液滴运动行为的智能调控。为了实现对智能超润滑表面液滴滑动路径的可控编辑,采用缩合聚合的方式将偶氮苯结构引入聚氨酯主链中,构建了复合的UV响应型超润滑表面(CUVRS)。研究了基材微观结构与化学组成对超润滑表面稳定性的影响以及聚氨酯结构赋予基材的自修复性能,考察了环境刺激下材料表面润湿性能、颜色以及液滴运动路径的可控性,探究了 CUVRS在液体定向传输方面的应用价值。结果表明:粗糙的多孔结构可有效提升润滑液的存储量,并增强超润滑表面的稳定性。聚氨酯链间氢键的引入赋予了超润滑表面优异的自修复性能。50℃加热4h后,基材的断裂应力修复效率达90%。通过设计复合型的超润滑表面,实现了对液滴滑动路径的智能调控。此外,UV光照射下,CUVRS表面表现出优异的光致变色性能,通过表面颜色的变化可精准预测液滴滑动路径。随后,以构建具有快速响应速率以及综合性的液滴操控平台为目标,将石墨烯与聚(N-异丙基丙烯酰胺)引入基材的交联网络结构中,制备了近红外光快速响应型智能超润滑表面(G/NPGS)。研究了超润滑表面化学组成、微观形貌、表面润湿性能与液滴运动行为,考察了超润滑表面图案化润湿性能的快速构建并分析了其构建机理,探究了 G/NPGS在液滴移取、传输、混合、反应等方面的应用价值。结果表明:在NIR刺激下,5~10 s内可在G/NPGS表面构建出任意图案化的润湿性与液滴滑动路径。具有可任意调控的图案化润湿性能的G/NPGS可望应用于微孔板中的液滴移取,微相反应器中单个液滴之间的混合、传输与反应,以及与信息传递相关的微电子技术领域。针对超润滑表面润滑油易流失的问题,通过化学接枝聚合的方法构建了热响应型“Liquid-like”表面(PHSN)。采用CA、SEM、AFM与XPS等表征手段研究了接枝过程中基质表面润湿性能、微观形貌、粗糙度以及化学组成变化,考察了“类似液体”型润滑表面的稳定性与自清洁性能,探究了热响应刺激下,表面润湿性能变化与液滴运动行为的智能调控。结果表明:通过化学键结合的“类似液体”型表面,在高温蒸发、高速水流冲击、胶带剥离与砂纸磨损的严苛环境下,始终保持优异的润湿稳定性。在热刺激下,可实现PHSN表面润湿性能的转变与液滴运动行为的调控。此外,通过调整功能聚合物的接枝位点,可实现对超润滑表面液滴滑动路径的控制。