高稳定性水下超疏油表面微结构构筑及其性能研究
发布时间：2021-06-20 14:20
近来,水下超疏油表面由于在油水分离、抗油污涂层以及微液滴搬运等领域的卓越表现越来越受到人们的关注。对自然界中水下超疏油表面的深入研究表明材料表面微米/纳米等级结构和表面亲水性化学组成的共同作用赋予了材料表面独特的水下超疏油性能。基于以上发现人们制备了不同种类的水下超疏油表面,然而绝大多数的水下超疏油表面由于其表面微观结构稳定性较差在实际使用中容易失去水下超疏油性能。因此构筑高稳定性的水下超疏油表面是推动该类材料走向实际应用的迫切需求。本论文通过构筑具有优异耐磨损性能的微观结构实现了高稳定性水下超疏油材料的制备,并且考察了水下超疏油材料的稳定性对油水分离性能的影响。采用电沉积的方法制备了分别具有半球状、松塔状和蜂巢状微观结构的三种水下超疏油铜表面（水下油的接触角均大于160°,滚动角小于2°）,研究了表面微结构形貌对其稳定性的影响。分别对三种铜表面进行了一系列的磨损测试,并详细研究了磨损前后三种铜表面的表面微观形貌和浸润性能。结果表明:半球状微观结构具有优异的耐磨损性能,具有该结构的铜表面展示出高稳定性的水下超疏油性能,另外两种结构的表面经磨损测试后,表面微观结构发生了不同程度的破坏,同...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
超浸润体系图[3]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-2-其在实际使用中易因微观结构破坏而失去原有的超浸润性能，这严重制约了该类材料的实际使用。因为超浸润材料表面的微米/纳米等级结构对超浸润性能至关重要的作用，所以制备具有高稳定性微/纳等级结构的超浸润材料是目前迫切需要解决的问题。1.2固体表面浸润性浸润性是材料表面固有的特征，主要由材料表面的形貌和化学组成决定[8]。随着人们对于浸润现象研究的不断深入，固体表面浸润性相关的理论也不断的被丰富和完善。1.2.1Young模型接触角是评估固体表面浸润性能的量度。当液体滴落在国体表面时，便会形成液体、固体和气体的三相接触体系，从三相接触线处取液滴的切线，该切线与固液接触线的夹角即为液体在固体表面的接触角（图1-2a）[8]。图1-2空气中不同的固体表面浸润模型[8](a)Young模型；(b)Wenzel模型；(c)Cassie模型Figure1-2Schematicdiagramsofliquiddropletinair[8](a)Youngstate;(b)Wenzelstate;(c)Cassiestate1805年，ThomasYoung提出液滴在光滑的固体表面上的接触角由固体的表面自由能决定，并且给出了Young方程[2]来描述接触角θ：LVSLSVcos(1-1)其中，γ代表表面自由能（表面张力），S、V、L分别代表固体、气体和液体，γSV、γSL和γLV分别指的是固体和气体之间的界面张力、固体和液体之间的界面张力以及液体和气体之间的界面张力，θ代表液滴在固体表面的本征接触角。随着人们对浸
第1章绪论-5-等级结构对于实现超疏水性能的重要性。具有微米柱状体阵列表面形貌的表面的浸润状态难以从Cassie状态转变为Wenzel状态（图1-3a），而具有微米/纳米等级结构的柱状体阵列形貌的表面却能够实现在上述两种状态之间的可逆转变（图1-3b）。图1-3微米/纳米等级结构是实现稳定超疏水性能的关键因素[19](a)单一的微米结构表面难以实现Cassie状态到Wenzel状态的可逆转变；(b)微米/纳米等级结构可以实现Cassie状态到Wenzel状态的可逆转变Figure1-3Micro-/nanoscaletwo-tierstructuresarethekeyfactorinbuildingstablesuperhydrophobicsurfaces[19](a)Forsinglemicroscaleroughness,anirreversiblechangeinthewettingbehaviorfromtheCassietotheWenzelstateappeared;(b)Fortheirhierarchicalcounterpart,nanostructurescanreplacetheWenzelstatewithanano-Cassiestateduetothetrappedairpocketsinsidetheirstructuralgaps1959年，另一项浸润领域的突破性进展超亲水现象在硅晶圆的预处理过程中被发现[20]。此后，超亲水现象越来越受到人们的关注，人们也尝试着制备超亲水表面。Fujishima等[21]制备了一种光引发的超亲水表面，该表面为二氧化钛纳米颗粒涂覆的载玻片，在紫外光的照射下该表面可实现超亲水性能。由于超亲水材料在自清洁和防雾等方面的应用，该类材料越来越受到人们的关注。2009年，人们发现空气中超亲水的表面置于水下时会变为对油滴低黏附的超疏油表面[22]，这一现象的发现将浸润性能的研究拓展到了油/水/固三相体系，这也引发了该领域新的研究热
【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)
[2]具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料[J]. 江雷. 科学观察. 2007(05)
[3]仿生超疏水性表面的研究进展[J]. 郭志光,刘维民. 化学进展. 2006(06)
[4]从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J]. 江雷. 化工进展. 2003(12)
本文编号：3239360
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
超浸润体系图[3]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-2-其在实际使用中易因微观结构破坏而失去原有的超浸润性能，这严重制约了该类材料的实际使用。因为超浸润材料表面的微米/纳米等级结构对超浸润性能至关重要的作用，所以制备具有高稳定性微/纳等级结构的超浸润材料是目前迫切需要解决的问题。1.2固体表面浸润性浸润性是材料表面固有的特征，主要由材料表面的形貌和化学组成决定[8]。随着人们对于浸润现象研究的不断深入，固体表面浸润性相关的理论也不断的被丰富和完善。1.2.1Young模型接触角是评估固体表面浸润性能的量度。当液体滴落在国体表面时，便会形成液体、固体和气体的三相接触体系，从三相接触线处取液滴的切线，该切线与固液接触线的夹角即为液体在固体表面的接触角（图1-2a）[8]。图1-2空气中不同的固体表面浸润模型[8](a)Young模型；(b)Wenzel模型；(c)Cassie模型Figure1-2Schematicdiagramsofliquiddropletinair[8](a)Youngstate;(b)Wenzelstate;(c)Cassiestate1805年，ThomasYoung提出液滴在光滑的固体表面上的接触角由固体的表面自由能决定，并且给出了Young方程[2]来描述接触角θ：LVSLSVcos(1-1)其中，γ代表表面自由能（表面张力），S、V、L分别代表固体、气体和液体，γSV、γSL和γLV分别指的是固体和气体之间的界面张力、固体和液体之间的界面张力以及液体和气体之间的界面张力，θ代表液滴在固体表面的本征接触角。随着人们对浸
第1章绪论-5-等级结构对于实现超疏水性能的重要性。具有微米柱状体阵列表面形貌的表面的浸润状态难以从Cassie状态转变为Wenzel状态（图1-3a），而具有微米/纳米等级结构的柱状体阵列形貌的表面却能够实现在上述两种状态之间的可逆转变（图1-3b）。图1-3微米/纳米等级结构是实现稳定超疏水性能的关键因素[19](a)单一的微米结构表面难以实现Cassie状态到Wenzel状态的可逆转变；(b)微米/纳米等级结构可以实现Cassie状态到Wenzel状态的可逆转变Figure1-3Micro-/nanoscaletwo-tierstructuresarethekeyfactorinbuildingstablesuperhydrophobicsurfaces[19](a)Forsinglemicroscaleroughness,anirreversiblechangeinthewettingbehaviorfromtheCassietotheWenzelstateappeared;(b)Fortheirhierarchicalcounterpart,nanostructurescanreplacetheWenzelstatewithanano-Cassiestateduetothetrappedairpocketsinsidetheirstructuralgaps1959年，另一项浸润领域的突破性进展超亲水现象在硅晶圆的预处理过程中被发现[20]。此后，超亲水现象越来越受到人们的关注，人们也尝试着制备超亲水表面。Fujishima等[21]制备了一种光引发的超亲水表面，该表面为二氧化钛纳米颗粒涂覆的载玻片，在紫外光的照射下该表面可实现超亲水性能。由于超亲水材料在自清洁和防雾等方面的应用，该类材料越来越受到人们的关注。2009年，人们发现空气中超亲水的表面置于水下时会变为对油滴低黏附的超疏油表面[22]，这一现象的发现将浸润性能的研究拓展到了油/水/固三相体系，这也引发了该领域新的研究热
【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)
[2]具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料[J]. 江雷. 科学观察. 2007(05)
[3]仿生超疏水性表面的研究进展[J]. 郭志光,刘维民. 化学进展. 2006(06)
[4]从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J]. 江雷. 化工进展. 2003(12)
本文编号：3239360
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