磁控粗糙表面制备方法及其疏水特性研究
发布时间：2020-07-26 13:26
【摘要】：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。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：
子复眼的防雾性、蜘蛛丝的挂水能力、水黾腿的超疏水能力、荷叶的自清洁以人掌叶的雾水收集等[6]。下面简单介绍几种典型的超疏水现象：1) 荷叶“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，这是北宋著名哲学家周敦颐对荷叶自清象的真实写照。如图 1.3(a)所示，滴落在荷叶表面的水滴，形成晶莹剔透的水珠珠顺势滚动带走荷叶表面的灰尘，使得荷叶表面保持清洁。尽管人们很早就观荷叶的自清洁现象，但对其机理的认识却比较晚。1997 年 Barthlott 和 Neinhuis次借助 SEM 对荷叶表面进行了观察，发现荷叶表面上分布着高度为 10~20 μ微乳突结构，每个乳突结构表面覆盖植物蜡，并指出这两者共同作用使荷叶表有自清洁性，并称这种现象为“荷叶效应”。2002 年，江雷课题组[8]进一步发个微乳突结构表面覆盖有无数的平均直径约为 100nm 的纳米毛发，山谷表面纳米毛发交错的纳米孔洞结构，这种微纳米复合多级结构使得水滴在荷叶表有很大接触角（约 161°）和很小的滚动角，赋予了荷叶表面完美的超疏水性清洁性，如图 1.3(b)所示。
水黾水黾是少数具有“水上漂”特殊技能的昆虫之一。如图 1.4(a)所示，它通于池塘、溪流等水面，躯干瘦长，在六条细长腿的配合下，可以毫不费力地静止站立、快速滑行乃至优雅跳跃。为何水黾的“水上功夫”如此了得，这人们的极大兴趣。2004 年江雷课题组[9]指出，水黾在水面上游走的本领与腿微结构有关。他们深入研究发现，水黾腿上排列着数千根微米级针状刚毛结些刚毛与表面呈 20°角的倾斜，直径不足 3μm，并且每根刚毛由螺旋状纳米成，如图 1.4(b)。正是这些微纳复合结构能够锁住气体，形成一层稳定的空气免了腿部表面与水的直接接触，使其具有持久的、强度的超疏水能力。水黾水的体积是自身体积的 300 倍，单支腿可以在水面上获得的支撑力是自身 15 倍，这使得水黾可以毫不费力的栖息于水面上，即使在湍急的水流中也没。这一新的发现有助于设计出水上微型机器人，使疏水材料有了更加广泛。
利用 SEM 对蚊子复眼进行了观察，发现蚊子复眼表面分布着数百个直径为 26 μm 的半球形感光小眼，并按照六方最密排列，且每个感光小眼微半球表面覆盖着大量纳米级乳头，如图1.5。与荷叶表面微纳米复合结构相比，蚊子复眼表面的微结构呈有序排列，并且微结构间的空隙呈三角形，间距小于 3 μm，正是这种独特的规则排列微纳米结构，在小雾滴与眼球表面间形成有效的屏障，使其具有优异的超疏水性能以及特殊的防雾能力。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：
子复眼的防雾性、蜘蛛丝的挂水能力、水黾腿的超疏水能力、荷叶的自清洁以人掌叶的雾水收集等[6]。下面简单介绍几种典型的超疏水现象：1) 荷叶“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，这是北宋著名哲学家周敦颐对荷叶自清象的真实写照。如图 1.3(a)所示，滴落在荷叶表面的水滴，形成晶莹剔透的水珠珠顺势滚动带走荷叶表面的灰尘，使得荷叶表面保持清洁。尽管人们很早就观荷叶的自清洁现象，但对其机理的认识却比较晚。1997 年 Barthlott 和 Neinhuis次借助 SEM 对荷叶表面进行了观察，发现荷叶表面上分布着高度为 10~20 μ微乳突结构，每个乳突结构表面覆盖植物蜡，并指出这两者共同作用使荷叶表有自清洁性，并称这种现象为“荷叶效应”。2002 年，江雷课题组[8]进一步发个微乳突结构表面覆盖有无数的平均直径约为 100nm 的纳米毛发，山谷表面纳米毛发交错的纳米孔洞结构，这种微纳米复合多级结构使得水滴在荷叶表有很大接触角（约 161°）和很小的滚动角，赋予了荷叶表面完美的超疏水性清洁性，如图 1.3(b)所示。
水黾水黾是少数具有“水上漂”特殊技能的昆虫之一。如图 1.4(a)所示，它通于池塘、溪流等水面，躯干瘦长，在六条细长腿的配合下，可以毫不费力地静止站立、快速滑行乃至优雅跳跃。为何水黾的“水上功夫”如此了得，这人们的极大兴趣。2004 年江雷课题组[9]指出，水黾在水面上游走的本领与腿微结构有关。他们深入研究发现，水黾腿上排列着数千根微米级针状刚毛结些刚毛与表面呈 20°角的倾斜，直径不足 3μm，并且每根刚毛由螺旋状纳米成，如图 1.4(b)。正是这些微纳复合结构能够锁住气体，形成一层稳定的空气免了腿部表面与水的直接接触，使其具有持久的、强度的超疏水能力。水黾水的体积是自身体积的 300 倍，单支腿可以在水面上获得的支撑力是自身 15 倍，这使得水黾可以毫不费力的栖息于水面上，即使在湍急的水流中也没。这一新的发现有助于设计出水上微型机器人，使疏水材料有了更加广泛。
利用 SEM 对蚊子复眼进行了观察，发现蚊子复眼表面分布着数百个直径为 26 μm 的半球形感光小眼，并按照六方最密排列，且每个感光小眼微半球表面覆盖着大量纳米级乳头，如图1.5。与荷叶表面微纳米复合结构相比，蚊子复眼表面的微结构呈有序排列，并且微结构间的空隙呈三角形，间距小于 3 μm，正是这种独特的规则排列微纳米结构，在小雾滴与眼球表面间形成有效的屏障，使其具有优异的超疏水性能以及特殊的防雾能力。
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 徐U
本文编号：2770818
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2770818.html
