仿生结构化石墨烯多功能表面的制备及集水性能研究

发布时间：2020-06-05 20:09

【摘要】：近年来水资源短缺已成为人类面临的严重环境问题。为了应对缺水,自然界中诸多生物经过亿万年的发展,进化出了水滴收集和输运的特殊能力。例如蜘蛛丝的纺锤结、仙人掌的尖端结构和沙漠甲虫背部的梯度润湿图案,能够使水滴在润湿梯度和拉普拉斯(Laplace)压力驱动下定向输运,大大提高了集水速率。幸运的是人类可以从大自然中获取灵感,通过模仿这些生物的体表结构特征来制备人工集水表面并实现水滴的定向输运,这一表面也可以进一步应用于微流控芯片、自驱动执行器和热交换器等液体处理装置中。然而为实现这一目的,传统的材料和加工方法通常成本较高、加工工艺复杂、表面稳定性较差,难以大规模生产,限制其更广泛的应用。基于以上原因,我们耦合多种生物原型以聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane:PDMS)和二维石墨烯为原材料,结合简单的浸渍涂布法、激光刻蚀、机械切割和超声处理,分别制备了一维仿生纤维丝、尖端梯度润湿表面、网状梯度润湿表面、辐射状梯度润湿表面以及Janus软体驱动器,并且深入研究了不同润湿表面的集水性能、润湿性调控机制、液滴定向输运行为以及Janus驱动器的工作机理。主要结论如下:(1)受蜘蛛丝纺锤结的启发,我们结合PDMS和石墨烯(Graphene:G)通过简单的两次浸渍涂布法制备了具有多级纺锤结结构的一系列仿生纤维丝,通过调控表面润湿性实现液滴行为的控制。在特殊的纺锤结结构上,水滴在Laplace压力和润湿梯度作用下,由结点向纺锤结运动。而当纺锤结中间区域在激光刻蚀处理转变为超疏水态后,水滴在润湿梯度作用下向结点运动,实现了水滴的逆向运输。研究结果表明,纺锤结尺寸和润湿梯度方向能够有效地调节微小水滴的运动,在水滴的聚集和输运过程中起着重要的协同作用。(2)受仙人掌倒刺结构和沙漠甲虫背部非均匀润湿图案的启发,我们结合PDMS和G通过激光刻蚀和机械切割设计了一种具有尖端结构的仿生表面,使微小液滴可以在梯度润湿的驱动下向亲水区域运动。水滴在20~o尖端轨道上的运动速率最大,为2.42mm/s;此外,激光刻蚀制备的多孔石墨烯表面可通过调谐温度产生明显的润湿性变化。经过高温处理后的尖端表面集水速率最大,可达2.75 g/cm~2·h。(3)在前期的研究基础上,受蜘蛛网和沙漠甲虫背部非均匀润湿图案的启发,我们以铜网为基底制备了一种特殊的仿生混合润湿表面;铜网上沉积的PDMS/G膜在经过激光刻蚀和超声震荡后,成功制备了包含有疏水区和超疏水区的混合润湿表面;在激光的作用下,由于PDMS/G膜的热解和固化,铜网表现为超疏水性,超声震荡后,裸露的铜网呈现疏水性;因此,由于润湿梯度的作用,所制备的混合润湿表面可以快速驱动微小水滴向更润湿的区域运动,集水速率高达5.4 g/cm~2·h;此外,PDMS/G表面不仅具有较好的稳定性,如优异的抗腐蚀、抗紫外线暴露和抗油污染能力,而且磨损区域通过灼烧处理可以进行修复。(4)以仙人掌的针状刺和沙漠甲虫背部的湿润梯度图案为灵感,结合激光刻蚀和机械切割,在不同湿润表面上设计了超疏水辐射图案;在亲水表面上辐射图案驱动微小液滴向更亲水的尖端区域运动,液滴呈现由圆心向边缘运动的单向输运状态;研究表明,亲水疏水区域的面积比为1:1的功能表面集水速率最大,约为3.075 g/cm~2·h;在超疏水表面上辐射图案则促使水滴沿着尖端形状运动到圆心,并将水滴储存在圆心处;基于以上研究结果,我们发现经激光刻蚀的PDMS膜具有Janus膜的特征能够实现油驱动响应,通过机械切割设计了锯齿状、花瓣状的软体平台,成功制备不同结构的油敏驱动器,花瓣状软体驱动器充当机械手时能够转移运输目标物体;具有不同润湿性表面的Janus驱动器表现出不同的溶胀行为,在不同的介质中具有不同的表面张力,因而有望成为新型软体驱动器的候选材料,同时也可以实现油/水混合物和乙醇间驱动开关的转换。
【图文】：

第 1 章 绪论球状，表现为疏水特性。而固体表面能的大小取决于其表面官能团，包括疏水官能团和亲水官能团。由此可见，，我们可以通过改变固体表面的化学组分实现表面润湿性的调控。Tan 等人[95]利用硬脂酸 (stearicacid,Sa) 功能化的 TiO2纳米颗粒和全氟十八酸包裹水滴成功制备了一种光响应液体弹珠，在没有紫外光照射下该液体弹珠可以保持完整，但暴露于紫外光照射下几分钟后便会坍塌 （图 1.1）。这是由于 TiO2具有良好的光响应润湿性，紫外光照射下形成电子-空穴对，这些电子-空穴对会向金属氧化物表面迁移[95]。表面电子与表面吸附的氧气反应形成超氧阴离子，而空穴可减少二氧化钛晶格中的氧阴离子，释放氧气并产生氧空位，水分子被吸附到氧空位中，并在 TiO2表面解离形成羟基，从而增加亲水性[96]。

(a)浸润态和(b)干燥态的PNIPAAm棉纤维的扫描电子显微(Scanningelectronmicroscope:SEM)图像；(c)在23oC和40oC下所得织物的WCA的可逆
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB306

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本文编号：2698547