金属基超疏水表面的高效制备及其诱导气泡破裂的研究

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近年来,超疏水表面在科学研究和工业生产展现出越来越广泛应用。而超疏水表面的高效制备方法更是引起了研究者的极大兴趣。与此同时,气泡在溶液中大量存在,例如在纤维生产领域,由于纺丝液中的气泡无法迅速脱除,导致纤维在生产过程中的不稳定。本文首先采用了腐蚀法、电化学阳极氧化法制备了具有超疏水性能的表面,所制备的表面不需涂覆低表面能物质,表面的表观接触角即可达到155.9°。我们进一步将超疏水表面应用于液体中诱导气泡破裂的研究,取得了很好的成果。经过超疏水表面的诱导,不同尺寸气泡的破裂时间都显著缩短,气泡在超疏水材料表面的破裂时间缩短到自由表面破裂时间的2/5~1/10,超疏水表面的存在显著加速了气泡破裂过程;超疏水表面对溶液中的气泡也具有较好的粘附效果。本论文主要的研究和结论如下:(1)本研究过程在金属铝表面制备了具有微米级的突起和孔洞以及纳米针状结构的二元复合结构。实验过程中采用盐酸/十二烷基苯磺酸钠体系通过腐蚀法可以在铝表面快速高效制备二元复合结构,该方法制备流程简单,工艺便于控制,有希望在工业领域大批量的生产和应用。制备的超疏水表面耐候性良好,在室温下放置348天之后,表面的超疏水性能没有明显变化。(2)对于未经处理的铝表面,溶液中的气泡触碰到该表面时,发生弹跳现象但不会发生破裂;而在超疏水表面的诱导下,气泡能够迅速破裂,当气泡尺寸小于1mm时,气泡在超疏水表面的诱导下破裂速度约是气泡在自由表面破裂速度的2/5;当气泡尺寸大于1mm小于8mm时,气泡在超疏水表面的诱导下破裂速度约是气泡在自由表面发生破裂时间的1/l0。超疏水表面具有诱导气泡破裂性能的主要机理是在超疏水表面的微米突起之间形成数量众多的微自由表面结构,液膜在接触到微自由表面结构后发生形变,液膜减薄;同时超疏水表面的微纳米二元复合结构之间具有贯通的气囊,当气泡与表面接触并破裂后,液膜内气体通过金属基板的气囊可以迅速排出溶液,实现近自由液面处的快速脱泡。(3)超疏水表面对于溶液中的气泡具有非常优异的收集及粘附作用,将超疏水表面竖直放置于水中,气泡可以粘附在金属基板上,当金属基板的提拉速度为400mm/min时,气泡仍不脱离超疏水表面。气泡仅在使用较大力抖动时才会从超疏水表面脱除。与此相反,未处理的铝表面及具有超亲水性能的铝片表面,气泡却无法粘附。由此得出超疏水表面能够收集、粘附、脱除溶液中的气泡。
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