两种特殊润湿性功能化材料的制备及其应用特性研究
发布时间：2021-08-03 15:50
大自然各种精妙的特殊润湿性激发了人类的灵感,研究者通过模仿自然制备了一系列具有特殊润湿性的材料,并广泛应用于防水、防结冰、防污染、防腐蚀、油水分离、自清洁、定向微流运输等领域。近年来随着表界面科学技术的发展,特殊润湿性表面的制备从最简单的自然模板法朝着精准设计、功能特殊的方向不断优化,然而特种润湿材料的大规模工业化生产依然受很多因素的限制,例如,高度疏水材料表面不能排斥具有较低表面张力系数的油性污染液体;尽管超疏油材料表面可以排斥低表面能液体,但其材料的微观设计非常复杂,机械稳定性也难以保障性能的实用长效性;油注入的防污材料经过高温、久置以及磨损后注入液体流失严重,且此类表面的设计要考虑到基底材料与润滑油的相容性以及测试液体与对基底润湿的优先性等;光滑表面常常通过接枝低表面能的柔性分子链达到对低表面张力系数的液体的滑动,然而很多接枝处理涉及到复杂的化学过程以及苛刻的反应温度和气氛条件,而且所得光滑表面难以承受长时间的外界化学和物理破坏。此外,聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为一种最常用的无污染低表面能修饰物,其固化却一直受到时间和空间的严重制约;常被用来构造疏水表面的微粒物需经特殊处理至微...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)荷叶的自清洁效应，(b)荷叶表的面低倍SEM图像，(c)表面乳突结构，(d)高倍SEM图像下的低表面能蜡质纳米棒[6]
兰州大学硕士学位论文两种特殊润湿性功能化材料的制备及其应用特性研究2水稻叶片表面也呈现出类似荷叶表面的疏水性能，然而水稻叶片上的水珠总是沿着特定的方向滚动[8-11]，不像荷叶表面那样水滴的滚落方向是任意的。用扫描电镜观察水稻叶片，发现其表面也有微米级乳突结构如图1.2(b)所示，微米乳突上和乳突之间分布着纳米粗糙形态如图1.2(c)，不同于荷叶表面随机随意分布的微纳米复合结构，水稻表面的粗糙复合形态分布具有很强的方向性即呈现出各项异性，沿着水稻叶片生长方向微纳米结构整齐地排布成列，所以水珠总是顺着稻叶生长方向流动[9]。不仅植物叶片表面具有各向异性润湿性，动物如蝴蝶的翅膀也有此类性质[12-15]，如图1.2(e)所示蝴蝶翅膀结构类似于传统房屋的瓦片设计，彼此交叠的瓦片形成定向且有坡度、有层次、有方向的排列结构，确保雨水能够沿着预设方向流走，扫描电镜显示翅膀表面有序交叠的鳞片大约40μm[15]，每一个鳞片上有很多整齐排布的纳米级沟槽结构如图1.2(f)，沟槽内部充盈的空气层很大程度上降低了水与蝴蝶翅膀表面的直接接触，这种完美的进化结构使得蝴蝶翅膀极不容易被水打湿，即使在潮湿的环境中依然能够正常振翅飞行。图1.2(a)水稻叶片的各向异性，(b)SEM下水稻叶片表面的径向沟槽，(c)沟槽上的纳米乳突[11]，(d)蝴蝶翅膀，(e)翅膀表面的低倍SEM鳞片图像，(f)蝴蝶翅膀表面纳米沟槽[15]。在降水量少、常年温差大、植被稀少的沙漠地区，却生存着一种被称为“百战天龙”的沙漠甲虫，甲虫的盔甲上面分布着约0.5mm的凸起，这些凸起的顶部光滑具有亲水性，能够收集空气中的水分发挥凝聚吸水的作用，凸起的侧面和凸起之间的沟槽上分布的微纳米级的乳突结构具有疏水的性质，当凸起顶部吸水量足够大时，便会沿着疏
兰州大学硕士学位论文两种特殊润湿性功能化材料的制备及其应用特性研究3虫和仙人掌集水方式启发，科学家们利用疏水与亲水相结合的表面，制备了吸水与防水一体的蓄水方式，能够帮助干旱少雨的地区解决水资源紧缺的问题。图1.3(a)沙漠甲虫水集水示意图，(b)甲虫背部光滑亲水区，(c)甲虫背部粗糙疏水区[19]。蚯蚓通常生活在潮湿的环境中，它在泥土中快速地蠕动前进但是表面很难粘上泥土等污物，经研究表明蚯蚓的皮肤能够分泌一种特殊粘液，同时其凹凸的体表结构能够锁住这些粘液，被包裹的粘液就像一层厚厚的润滑油一样，隔绝蚯蚓皮肤与土壤直接接触，减少蚯蚓蠕动过程中的摩擦阻力的同时保持体表的洁净状态[23-25]。当粘液损耗时，蚯蚓发达的分泌系统能够感知这种变化，再次分泌粘液，这样源源不断为体表提供粘液，满足自身的生命需求。图1.4(a)蚯蚓分泌粘液，保持自身洁净，(b)蚯蚓粘液分泌示意图[25]。猪笼草靠捕食昆虫为生，得益于其独特的生理结构[23,24,26-29]，如图1.5(a)所示猪笼草的最上部是笼盖帮助保持笼内部独特环境稳定；笼盖下方是唇部，经扫描电镜观察唇部由规则有序的脊结构组成如图(b)所示，定向排列的脊为双级结构，第一级脊结构的尺寸约为100-200μm，二级脊结构尺寸约为9-30μm，二级脊结构之间分布着有序的楔形结构如图(c)有利于液体的定向运输；唇部以下的红色部分是蜡质区，蜡质区的蜜腺能够分泌蜜汁，由于蜜汁具有特殊的气味，从而吸引附近的昆虫落入捕虫囊的陷阱中，成熟的猪笼草捕虫囊内侧壁分布着不规则的片状低表面能纳米蜡质物，捕虫囊整体结构类似光滑斥液表面，任落入陷
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生多尺度超浸润界面材料[J]. 王鹏伟,刘明杰,江雷. 物理学报. 2016(18)
硕士论文
[1]食肉植物猪笼草的减摩机理研究及仿生制备[D]. 黄钜斌.吉林大学 2018
本文编号：3319895
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)荷叶的自清洁效应，(b)荷叶表的面低倍SEM图像，(c)表面乳突结构，(d)高倍SEM图像下的低表面能蜡质纳米棒[6]
兰州大学硕士学位论文两种特殊润湿性功能化材料的制备及其应用特性研究2水稻叶片表面也呈现出类似荷叶表面的疏水性能，然而水稻叶片上的水珠总是沿着特定的方向滚动[8-11]，不像荷叶表面那样水滴的滚落方向是任意的。用扫描电镜观察水稻叶片，发现其表面也有微米级乳突结构如图1.2(b)所示，微米乳突上和乳突之间分布着纳米粗糙形态如图1.2(c)，不同于荷叶表面随机随意分布的微纳米复合结构，水稻表面的粗糙复合形态分布具有很强的方向性即呈现出各项异性，沿着水稻叶片生长方向微纳米结构整齐地排布成列，所以水珠总是顺着稻叶生长方向流动[9]。不仅植物叶片表面具有各向异性润湿性，动物如蝴蝶的翅膀也有此类性质[12-15]，如图1.2(e)所示蝴蝶翅膀结构类似于传统房屋的瓦片设计，彼此交叠的瓦片形成定向且有坡度、有层次、有方向的排列结构，确保雨水能够沿着预设方向流走，扫描电镜显示翅膀表面有序交叠的鳞片大约40μm[15]，每一个鳞片上有很多整齐排布的纳米级沟槽结构如图1.2(f)，沟槽内部充盈的空气层很大程度上降低了水与蝴蝶翅膀表面的直接接触，这种完美的进化结构使得蝴蝶翅膀极不容易被水打湿，即使在潮湿的环境中依然能够正常振翅飞行。图1.2(a)水稻叶片的各向异性，(b)SEM下水稻叶片表面的径向沟槽，(c)沟槽上的纳米乳突[11]，(d)蝴蝶翅膀，(e)翅膀表面的低倍SEM鳞片图像，(f)蝴蝶翅膀表面纳米沟槽[15]。在降水量少、常年温差大、植被稀少的沙漠地区，却生存着一种被称为“百战天龙”的沙漠甲虫，甲虫的盔甲上面分布着约0.5mm的凸起，这些凸起的顶部光滑具有亲水性，能够收集空气中的水分发挥凝聚吸水的作用，凸起的侧面和凸起之间的沟槽上分布的微纳米级的乳突结构具有疏水的性质，当凸起顶部吸水量足够大时，便会沿着疏
兰州大学硕士学位论文两种特殊润湿性功能化材料的制备及其应用特性研究3虫和仙人掌集水方式启发，科学家们利用疏水与亲水相结合的表面，制备了吸水与防水一体的蓄水方式，能够帮助干旱少雨的地区解决水资源紧缺的问题。图1.3(a)沙漠甲虫水集水示意图，(b)甲虫背部光滑亲水区，(c)甲虫背部粗糙疏水区[19]。蚯蚓通常生活在潮湿的环境中，它在泥土中快速地蠕动前进但是表面很难粘上泥土等污物，经研究表明蚯蚓的皮肤能够分泌一种特殊粘液，同时其凹凸的体表结构能够锁住这些粘液，被包裹的粘液就像一层厚厚的润滑油一样，隔绝蚯蚓皮肤与土壤直接接触，减少蚯蚓蠕动过程中的摩擦阻力的同时保持体表的洁净状态[23-25]。当粘液损耗时，蚯蚓发达的分泌系统能够感知这种变化，再次分泌粘液，这样源源不断为体表提供粘液，满足自身的生命需求。图1.4(a)蚯蚓分泌粘液，保持自身洁净，(b)蚯蚓粘液分泌示意图[25]。猪笼草靠捕食昆虫为生，得益于其独特的生理结构[23,24,26-29]，如图1.5(a)所示猪笼草的最上部是笼盖帮助保持笼内部独特环境稳定；笼盖下方是唇部，经扫描电镜观察唇部由规则有序的脊结构组成如图(b)所示，定向排列的脊为双级结构，第一级脊结构的尺寸约为100-200μm，二级脊结构尺寸约为9-30μm，二级脊结构之间分布着有序的楔形结构如图(c)有利于液体的定向运输；唇部以下的红色部分是蜡质区，蜡质区的蜜腺能够分泌蜜汁，由于蜜汁具有特殊的气味，从而吸引附近的昆虫落入捕虫囊的陷阱中，成熟的猪笼草捕虫囊内侧壁分布着不规则的片状低表面能纳米蜡质物，捕虫囊整体结构类似光滑斥液表面，任落入陷
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生多尺度超浸润界面材料[J]. 王鹏伟,刘明杰,江雷. 物理学报. 2016(18)
硕士论文
[1]食肉植物猪笼草的减摩机理研究及仿生制备[D]. 黄钜斌.吉林大学 2018
本文编号：3319895
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