基于飞秒激光加工与化学修饰技术的超疏水、超滑表面制备及其应用研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:shrimpdragon
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自然界中存在众多超疏水现象,而荷叶表面作为最典型的超疏水表面,具有“出淤泥而不染”的自清洁特性。荷叶等其他超疏水表面存在众多微纳米结构,这些微纳米结构是材料表面具备超疏水性能的重要因素之一。利用不同材料加工技术(如溶胶-凝胶法、静电纺丝法、电沉积法、压印成型法、激光加工法等)在材料基底构建微纳米结构并结合化学修饰制备超疏水表面是现如今国内外的研究热点。超疏水表面对水滴的特殊润湿性使其在自清洁、防腐蚀、干旱地区雾气收集以及防冻雨抗结冰结霜等领域具有广阔的应用前景;同时,研究人员发现超疏水表面同样具有优异的抗细菌粘附性,于是超疏水表面在医疗器械、材料学、生物学等领域的应用的探索性研究也在进行。近年来,研究人员发现具有微纳米结构的超疏水表面形成的空气层可以很好的排斥多种液滴,但微纳米结构形成的空气层在受到压力等外界干扰的情况下容易遭到破坏。但研究人员发现,虽然材料表面的空气层容易受到外力破坏,但空气层的存在有利于油类物质(如硅油、润滑油等)的存储。因此,研究人员通过在超疏水表面涂覆油类物质获得了对水滴显示滑动角小于10°的仿猪笼草超滑表面。超疏水表面涂覆润滑油类物质时,润滑油类物质可将微纳米级结构中的空气挤出,进入空气层的沟槽中,并在超疏水表面形成一层稳定的油膜,此时表面由超疏水表面转变为超滑表面。与超疏水表面相比,超滑表面由于油膜的存在,机械稳定性更好,在液体运输、控制化学反应、自愈性材料等方面均有应用前景。无论是制备超疏水表面还是超滑表面,均需预先在材料表面构建合适的微纳米结构。在众多微纳米结构加工方法中,飞秒激光加工由于对不同基底材料(金属、陶瓷、聚合物、玻璃等)均显示良好的加工适用性并具有加工效率高、工艺流程简单等优点,引起了研究人员的广泛关注。论文主要通过飞秒激光加工结合不同修饰方式,制备出具有不同功能的超疏水表面与超滑表面,探索其在耐腐蚀、低粘附、抗菌等方面的应用,并取得了一些显著成果。主要内容如下:1.通过飞秒激光加工结合化学修饰的方式制备得到超疏水金属铝(Al)表面,使其可以有效的抵抗乙二醇溶液的腐蚀。超疏水表面腐蚀速率相较于未经任何处理的平面样品降低3个数量级,缓释速率最高可达98%,使材料在工程方面的应用可以有所扩大。2.通过飞秒激光加工结合硅油涂层以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)与硅油的混合涂层,得到可以排斥粪便模拟物的超滑表面。同时,对样品表面排斥粪便模拟物的机理进行解释,并将得到的表面应用于经过优化的厕所的活板门上,使其达到减少冲水量或者不需要冲水的目的,以推进环境卫生行动项目的进程。在得到可排斥粪便模拟物的超滑表面的基础上,本工作对普通的蹲便式厕所进行优化,将原本的蹲便式厕所改变为尿液-粪便分离式厕所,并在粪便掉落部分增加可以防止气味扩散与蚊虫接触粪便的活板门,同时制作出一个简易固液分离式厕所模型。3.通过飞秒激光加工仅结合加热而不涂覆任何化学涂层的方式制备出具有抗菌性能与抗细胞粘附性能的超疏水316L不锈钢表面。该材料表面可以有效的降低细菌与细胞在316L不锈钢表面的粘附,为医疗器材设计与使用提供了重要参考。通过上述工作,实现了超疏水/超滑表面的有效制备及其具体应用研究。结合飞秒激光加工与化学涂层修饰,使得在抗腐蚀、抗粘附性固体粘附、抗菌等方面均可达到很好的效果,在日常生活中具有很大的应用前景。
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