【摘 要】
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自然界的动植物经过亿万年演化,发展出了多种独特的功能。随着科学技术的发展,人们开始使用各种先进的显微手段对具有超疏水特性的表面进行研究,从认识,了解到模仿自然,研究出了具有超疏水特性的仿生结构和仿生材料。飞秒激光作为近几十年新兴的微纳加工手段,由于其具备加工精度高、材料加工范围广、加工过程中热效应低等特点已经逐步应用于多种精密加工领域。通过飞秒激光在材料表面加工出微纳米结构,随后使用化学修饰使材料
【机 构】
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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)
【出 处】
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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)
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自然界的动植物经过亿万年演化,发展出了多种独特的功能。随着科学技术的发展,人们开始使用各种先进的显微手段对具有超疏水特性的表面进行研究,从认识,了解到模仿自然,研究出了具有超疏水特性的仿生结构和仿生材料。飞秒激光作为近几十年新兴的微纳加工手段,由于其具备加工精度高、材料加工范围广、加工过程中热效应低等特点已经逐步应用于多种精密加工领域。通过飞秒激光在材料表面加工出微纳米结构,随后使用化学修饰使材料表面达到超疏水的研究及应用较为广泛。但是在不断进行深入研究的同时也产生了一系列的问题:在不使用化学涂层的条件下是否可以使金属表面达到超疏水的效果,这种金属表面的超疏水性能是怎样的;另外,提高飞秒激光制备超疏水表面的速度,将超疏水表面应用于高效雨水收集,怎样的条件才能达到更好的雨水收集效果;以及,对于粘稠的食品能否使加工设备表面达到符合食品安全要求的超疏水防粘表面等的一系列问题。针对这些问题,本研究以飞秒激光加工为基础,以飞秒激光结合热处理的方式制备无涂层超疏水金属表面出发,研究了通过热处理方式,使金属表面由飞秒激光烧蚀后的超亲水向超疏水转化的机理,并对其自清洁性、抗腐蚀性、疏液性等性能进行测试及分析;而后结合热压印的方式实现快速制备出超疏水塑料表面,并将其搭建成高收集效率的雨水收集装置,对其在高效雨水收集方面的应用进行研究;最后通过飞秒激光加工金属表面并使用蜂蜡蒸发的方式,制备出性能稳定的不沾酸奶、番茄酱和蜂蜜等粘稠液体的金属表面,为超疏表面在食品加工过程中的潜在应用提供了一定的基础。本文主要内容如下:1.利用飞秒激光在常用金属（铝、钛、锌、铝合金、铜、铜钛合金、铁和不锈钢）表面加工出微纳米结构,而后进行200°C 30 mins的热处理方式,使金属表面由激光烧蚀后的超亲水状态迅速转化为超疏水状态,达到无需涂层即可快速实现超疏水的效果。同时,通过EDS、FTIR等的表征,对金属表面由超亲水向超疏水状态的转化进行解释。通过对飞秒激光加工结合热处理工艺制备的超疏水表面进行测试,发现超疏水金属表面具有良好的稳定性,抗腐蚀性,疏液性,以及一定的自修复性。2.利用飞秒激光在铝合金表面加工出微纳米沟槽状结构,并对压印前后的模板与样品表面进行表征。通过将铝合金表面的微纳米结构压印到疏水性塑料表面,可使塑料表面具备超疏水性能。该方法可明显提高超疏水表面的加工速度,同时可实现大面积超疏水表面的制备,同一铝合金模板经过50次以上压印仍能使塑料表面具备超疏水性能,提高加工速度的同时降低了加工成本。3.通过搭建人工降水模拟系统,对超疏水塑料表面组合成的不同倾斜角度的漏斗状雨水收集装置进行测试,测量不同倾斜角度超疏水漏斗状结构的雨水收集效率,并与表面未处理的塑料组合成的不同倾斜角度漏斗状雨水收集装置对比,测量结果发现,相较于未加工平面,由超疏水塑料表面构成的雨水收集装置效率有显著提高,最高可达到90%的雨水收集效率,对于难以收集的小雨,实现了高效收集。4.利用飞秒激光在不锈钢表面加工出微纳米结构,而后通过结合食品级疏水涂层,进而制备出具备不沾酸奶、蜂蜜等粘稠液体的超疏金属表面,有效降低了酸奶、蜂蜜这类粘稠液体在加工、搅拌等过程中的残留问题,安全可靠,同时,为超疏表面在食品加工领域的应用提供可能。
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