磁控粗糙表面制备方法及其疏水特性研究

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润湿性是固体表面基本特性之一,主要与表面自由能、表面形貌等因素有关,分为亲水和疏水两个方向。低表面自由能是实现疏水表面的前提,表面形貌则是控制性因素。人类对超疏水的认识源于自然界,受此启发,具有流体减阻、防雾、防结冰以及自清洁等表面特性的仿生超疏水材料得到了人们的广泛关注,并在生产生活的诸多领域显示出诱人的应用前景。  人们往往采用低表面能修饰和粗糙表面构建两种方法来实现表面的超疏水特性,更多的情况是两者兼而有之。近年来,通过模板法、沉积法、刻蚀法等微观结构构建方法,都可得到性能优异的超疏水材料,但总体上存在实验设备要求高、操作复杂,成本高,难以进行大面积制备且环境不友好等问题,在一定程度上限制了超疏水材料的实际应用。因此,通过创新制备方法和简化工艺过程来制备超疏水材料,将成为今后的研究热点。  本文基于润湿性理论和磁控成型机理,采用磁控粗糙表面(Magnetic Roughness Surface, MRS)技术制备了超疏水薄膜,并对其疏水性进行了研究,具体内容如下:  (1) 介绍了润湿性的基本概念、自然界中典型的超疏水现象以及超疏水表面的应用前景,然后针对仿生疏水表面技术研究现状进行了综述,提出了本文研究的意义和内容。  (2) 分析了磁控成型机理,明确了磁控成型主要与外磁场的强度及梯度,磁性颗粒的磁化率、粒径及含量等因素有关;探究了磁控粗糙表面的制备方法,以聚二甲基硅氧烷为载体液,羰基铁粉为分散相制备了多组MRS样品。  (3) 介绍了润湿性理论模型,建立了MRS规则锯齿结构模型,分析了锯齿结构的高宽比和间距比对表面疏水性的影响,通过COMSOL仿真软件模拟了水滴在规则锯齿结构表面的润湿行为。结果表明:固体表面具有较大高宽比和较小间距比的微观结构,有利于提高表面疏水性能。  (4) 利用扫描电子显微镜(SEM)和接触角测量仪对表面形貌和疏水性进行了表征分析。结果表明,在磁控成型机理作用下,MRS样品表面具有随机分布的微米级山状突起结构,水滴接触角从110°提高到158.2°,呈现超疏水特性;对MRS样品开展的性能测试表明,样品表面的滚动角小于10°,并且具有自清洁性能,样品的超疏水性稳定,且薄膜与基体结合牢固。  (5) 最后分析了固化磁场、羰基铁粉的粒径、羰基铁粉的含量及薄膜厚度等因素对磁控粗糙表面疏水性的影响,进一步明确了实现表面疏水性的调控因素。
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