微尺度生物表面疏水防雾机理与仿生设计制造

发布时间：2017-10-15 00:17

  本文关键词：微尺度生物表面疏水防雾机理与仿生设计制造

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【摘要】：结雾现象是指空气中一定量的水蒸汽冷却到露点以下，水蒸汽达到饱和时基材表面就会冷凝析出许多微小水滴。这些水滴一方面改变了基材表面的光学性质，影响了透明基材的透光性，另一方面会使基材表面不同程度地变湿、从而引起潮湿、腐蚀等次生问题。目前主要的防雾方法是通过调制材料表面的润湿性能，使基材表面高度亲水或高度疏水，进而实现防雾目的。但亲水性防雾方法无法改变其“湿”的本质，因此，疏水性防雾方法逐渐被重视起来。 自然一直是工程创新的重要源泉，生物亿万年进化的结果是其现存的功能与其结构之间保持着最佳的匹配。师法自然无疑是解决工程难题的一条捷径。本文从仿生学角度出发，以近水、多雾环境中的生物复眼和植物叶片作为考察对象，以腹色蜉复眼及茭白叶为生物原型，研究了其表面形貌、内部结构及润湿防雾性能，在建立仿生模型的基础上，阐释了其疏水防雾机理，并利用激光干涉光刻法、软刻蚀法及胶体刻蚀法制备了仿生结构表面，在表征其形貌、结构的同时，测试了其疏水防雾性能，为设计、制备新型疏水性防雾结构表面提供理论基础和新的思路。 全文共分8章： 在第1章中，主要介绍了疏水性防雾研究的重要意义，以及主要的应对策略，重点归纳了疏水性防雾涂层技术及结构防雾方法研究进展，同时对自然超疏水表面的研究现状进行了梳理、归纳，尤其总结了仿生微结构疏水性能的研究进展。 第2章主要是样本的选择和疏水防雾性能的测试。样本选择以功能与环境相适应原则为依据，重点考察潮湿、近水、多雾的环境中的生物，如蜉蝣、叶蝉、水黾、豆娘等生物复眼，以及苇叶、竹叶、茭白叶、睡莲叶等植物叶片。利用接触角测量及模拟防雾测试方法检测其表面的疏水防雾性能，结果表明，生活在四川省近水多雾环境中的腹色蜉复眼表面呈现出良好的疏水防雾性能，连续加雾10min，其复眼表面无水珠聚集、并保持干燥；在浙江淡水中生长的茭白叶表面静态接触角（CA）值为151.5±3°，滚动角约为5°，显示出优良的超疏水性能及一定的防雾性能。 第3章主要内容是利用体视显微镜、扫描电镜（SEM）及激光共聚焦显微镜对典型生物复眼表面及植物叶片表面形貌、结构进行表征。腹色蜉复眼表面的结构特点是复眼总体外形呈椭球形，由数百个小眼紧密排列组成，小眼结构类似，分为上下两部分，上部为近似半球形，下部近似圆台形，小眼基部直径约20μm，上部半球直径约为16μm，小眼总体高度在14μm左右，小眼表面无更微细纳米级结构。茭白叶的表面结构特点是其表面是一种典型的分级结构，宏观亚毫米沟槽结构是第一级结构，沟槽宽为270μm，深为40μm，沟槽表面的微米级凸起结构是第二级结构，凸起结构直径在10μm，高为6μm，间距为13μm。另外，叶片表面覆盖一层纳米级蜡质结构是第三级结构。二者结构共性之处是都具有微米尺度的凸起结构。 第4章是基于第3章表征结构提供的特征尺寸，在建立了仿生模型的基础上，利用Cassie模型解释了腹色蜉复眼表面疏水防雾机理以及茭白叶表面超疏水防雾性能机理。腹色蜉复眼表面疏水防雾是由于其表面角膜几丁质本征疏水，凸起小眼呈六方紧密排列，小眼尺寸决定微米尺寸雾滴不能直接接触复眼基底，因此大量空气被截留在雾滴和小眼之间，有助于雾滴的反弹，另椭球形外形，也易于雾滴滚落。茭白叶表面的疏水防雾机理在于蜡质层的存在，以及分级结构使其表面达到了足够的粗糙程度，从而实现表面超疏水及防雾性能。 第5章利用三光束激光干涉光刻技术在单晶硅基底表面制备了平面型仿腹色蜉复眼表面，讨论了激光能量及曝光时间对加工表面形貌的影响，并测试了仿生表面疏水性能及防雾性能。结果表明，激光能量为40mJ，曝光时间为15s形貌最优。利用质量百分比为5%的HF清洗掉加工过程形成的二氧化硅，该仿生表面具有较强的疏水性能，其CA值可以达到120°以上，与理论计算值相符，并表现出一定的疏水防雾性能。 第6章利用软刻蚀法制备了PDMS材质人工茭白叶表面。首先以茭白叶表面为模板获得弹性印章，即茭白叶表面反结构，之后利用复制模塑法获得了茭白叶表面正结构，即人工茭白叶表面。该方法较好地复制了茭白叶表面亚毫米、微米分级结构，其CA值达到144.1°，获得了与天然茭白叶相近的疏水性能，且具有较强的疏水防雾功能，能谱分析显示其表面没有残留F元素，纳米结构缺失的主要原因是蜡质在加热干燥过程中熔化，并对软刻蚀法复制生物材料表面适用性进行了讨论。 第7章利用胶体刻蚀技术在聚酯塑料（PET）基底表面制备了3种尺度纳米凸起阵列结构。首先，利用乳液聚合法制备了直径分别为200nm，350nm和580nm的聚苯乙烯（PS）微球，之后利用气液界面法自组装聚苯乙烯晶体，利用等离子刻蚀技术获得了纳米凸起阵列结构，并进行氟化处理。最后测量了3个阵列表面的静、动态润湿性能及防雾性能，结果表明，特征尺寸为350nm的纳米乳突阵列静态CA值可达155±2°，滚动角（SA）值约为5°，表现出优良的超疏水性能，且具有良好的防雾功能。 第8章对全文所研究内容做出总结，包括得出的主要结论，主要创新点及对后续研究提出几点展望。
【关键词】：仿生 疏水 防雾 复眼 腹色蜉 茭白叶
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q811
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 选题的目的和意义15-16
• 1.2 疏水性防雾方法研究现状16-19
• 1.2.1 防雾方法分类16-17
• 1.2.2 疏水涂层防雾方法研究现状17
• 1.2.3 微结构防雾方法研究现状17-19
• 1.3 仿生微结构疏水功能表面研究现状19-24
• 1.3.1 自然超疏水结构表面20-22
• 1.3.2 仿生微结构疏水性能研究22-23
• 1.3.3 仿生超疏水表面的常用制备方法23-24
• 1.4 本文主要研究内容24-27
• 第2章 典型生物功能表面防雾、润湿性能测试27-47
• 2.1 样本选择及样本生物学描述27-29
• 2.1.1 典型生物样本选择27-28
• 2.1.2 复眼角膜及植物叶片表皮结构与功能28-29
• 2.2 典型生物表面防雾性能、润湿性能测试方法29-31
• 2.2.1 防雾性能测试方法及防雾等级判定标准29-31
• 2.2.2 润湿性能测试试验31
• 2.3 典型生物表面防雾性能、润湿性能测试结果与分析31-44
• 2.3.1 昆虫复眼表面防雾性能测试结果与分析31-41
• 2.3.2 植物叶片表面润湿性能测试结果与分析41-43
• 2.3.3 植物叶片表面防雾性能测试结果与分析43-44
• 2.4 本章小结44-47
• 第3章 疏水防雾生物功能表面微观结构特性分析47-61
• 3.1 微观结构表征工具及制样过程47
• 3.2 典型生物复眼表面形态、结构47-53
• 3.2.1 典型复眼样本体视显微镜分析47-50
• 3.2.2 腹色蜉复眼表面、小绿叶蝉复眼表面 SEM 分析50-52
• 3.2.3 典型生物复眼表面激光共聚焦显微镜分析52-53
• 3.3 典型植物叶片表面形态、结构53-58
• 3.3.1 茭白叶片表面形态、结构53-56
• 3.3.2 苇叶、竹叶、睡莲叶 SEM 分析56-58
• 3.4 本章小结58-61
• 第4章 疏水防雾生物功能表面机理分析61-81
• 4.1 固体表面润湿性相关理论61-64
• 4.1.1 影响固体表面润湿性的因素61
• 4.1.2 理想固体表面润湿模型-Young 模型61-62
• 4.1.3 可描述固体表面疏水状态的润湿模型62-64
• 4.2 疏水防雾生物功能表面模型64-67
• 4.2.1 典型生物复眼表面模型65-66
• 4.2.2 典型植物叶片表面模型66-67
• 4.3 典型生物复眼表面疏水防雾机理分析67-74
• 4.3.1 腹色蜉复眼表面疏水性防雾理论分析67-69
• 4.3.2 小绿叶蝉等昆虫复眼疏水机理分析69-71
• 4.3.3 三种复眼表面润湿模型71
• 4.3.4 小眼本征接触角对疏水性能的影响71-72
• 4.3.5 小眼尺寸对疏水性能的影响72-74
• 4.4 典型植物叶片疏水防雾机理分析74-78
• 4.4.1 茭白叶片疏水防雾机理分析74-76
• 4.4.2 茭白叶片表面蜡质层对疏水性能的影响76-77
• 4.4.3 叶片表面结构对疏水性能的影响77-78
• 4.5 本章小结78-81
• 第5章 激光干涉光刻法制备仿生复眼表面81-93
• 5.1 引言81-82
• 5.2 仿生复眼表面制备原理及数值模拟82-86
• 5.2.1 激光干涉相关原理82-84
• 5.2.2 干涉类型的选择及光路计算84-85
• 5.2.3 人工复眼表面数值模拟85-86
• 5.3 仿生复眼表面制备过程及表面形态86-89
• 5.3.1 三光束激光干涉系统搭建86-87
• 5.3.2 参数对激光干涉结果的影响87-88
• 5.3.3 仿生复眼表面 SEM 观察88-89
• 5.4 仿生复眼表面性能测试89-91
• 5.4.1 HF 刻蚀及 CA 测量89-90
• 5.4.2 模拟防雾性能测试90-91
• 5.5 本章小结91-93
• 第6章 软刻蚀法制备仿植物叶片疏水表面93-105
• 6.1 引言93
• 6.2 人工植物叶片表面制备93-95
• 6.2.1 人工植物叶片反结构的制备93-94
• 6.2.2 人工植物叶片正结构的制备94-95
• 6.3 PDMS 植物叶片疏水表面95-100
• 6.3.1 SEM 分析95-99
• 6.3.2 激光共聚焦分析99
• 6.3.3 能谱分析99-100
• 6.4 PDMS 植物叶片表面性能测试与分析100-103
• 6.4.1 润湿性能测试100-101
• 6.4.2 防雾性能测试101-102
• 6.4.3 软刻蚀法复制生物材料表面适用性讨论102-103
• 6.5 本章小结103-105
• 第7章 胶体刻蚀法制备仿生疏水纳米凸起阵列结构表面105-113
• 7.1 仿生疏水纳米凸起阵列的制备105-107
• 7.1.1 试验原料及试验仪器105
• 7.1.2 试验方法及试验过程105-107
• 7.2 仿生纳米凸起阵列结构表面107-109
• 7.2.1 仿生纳米凸起阵列结构表面形成的物理过程107
• 7.2.2 仿生纳米凸起阵列结构表面 SEM 表征107-109
• 7.3 仿生纳米凸起阵列结构润湿及防雾性能测试109-111
• 7.3.1 静态接触角测量109-110
• 7.3.2 滚动角测量110-111
• 7.3.3 防雾性能测试111
• 7.4 本章小结111-113
• 第8章 结论113-115
• 8.1 主要结论113-114
• 8.2 主要创新点114
• 8.3 研究展望114-115
• 参考文献115-131
• 作者简介131-133
• 攻读博士学位期间的研究成果133-135
• 致谢135

【参考文献】

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本文编号：1033994