金属基底微纳二级结构超疏水表面的制备及其保持冷凝液滴超疏水性能的研究

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本文使用简单的化学刻蚀以及两步化学刻蚀制备超疏水表面技术,成功地在不锈钢和铝基体上获得了超疏水表面,并进一步考察了冷凝液滴在该表面的超疏水性能。采用化学刻蚀(Beck)和两步化学刻蚀(氢氟酸和盐酸)的方法在不锈钢基底上构筑了微纳二级结构,然后用氟硅烷-甲醇溶液进行表面氟化处理,制备出超疏水表面。采用接触角测量仪测量表面的接触角,考察表面的超疏水性,利用扫描电镜观察超疏水表面的微细结构。实验结果表明:经过Beck试剂刻蚀后,不锈钢表面上形成了微纳二级结构,经表面氟化处理后,接触角达到156。,进一步考察了不同的刻蚀时间对表面超疏水性的影响。经过氢氟酸和盐酸刻蚀后,不锈钢表面上具有了蜂窝状微米结构和纳米颗粒构成的微纳结构,经氟化处理后的表面其接触角最高达到159°,接触角滞后为5°。本实验采用L9(34)正交实验表进一步分析了氢氟酸浓度与刻蚀时间和盐酸浓度与刻蚀时间对表面疏水性能的影响,并制备出多种不锈钢超疏水表面。采用氢氟酸和盐酸两步化学刻蚀的方法在铝表面制备出了长方体状的纳米结构和由纳米结构堆集而成的微米结构,长方体纳米结构均匀的分布于整个表面,经氟硅烷表面修饰后,铝表面的接触角大于160°,铝表面具有了超疏水性。最后通过表面冷凝实验研究了制备的表面在冷凝条件下的超疏水性能,结果表明:不同的结构表面保持的冷凝液滴超疏水状态的性能不尽相同,从液滴的形态和脱离表面的方式上大致可以分为三类:1)表面能够长时间保持Cassie态冷凝液滴,此时冷凝液滴很小,冷凝过程中液滴表面发生滚动和弹跳,脱离表面迅速,表面冷凝利用率高;2)冷凝液滴在表面上主要发生滚动,弹跳并不明显,液滴相对较大,表面利用率相对较低;3)保持低于10分钟滴状冷凝状态。冷凝初期出现不规则形状小液滴,液滴基本没有自发滚动,只是与周围的液滴发生合并,当液滴足够大时,在重力的作用下离开表面,最后表面由滴状冷凝状态逐渐转变为沟流。通过不同的刻蚀路径制备出的多种超疏水表面,其接触角相差不大,但是微观结构却大相径庭。通过观察、分析扫描电镜照片,分析认为纳米颗粒是决定表面保持冷凝液滴呈Cassie状态的重要因素,而纳米颗粒的尺度和分布决定了液滴脱离表面的方式。
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