非均匀润湿性微阵列表面制备及其性能研究
发布时间：2021-10-17 10:45
自然界中许多生物表面都呈现出微阵列结构的非光滑特征,阵列结构的不同形状、尺寸、间距及排列方式等使得生物表面呈现出各种独特的润湿特性,例如超疏水性、超亲水性、各向异性润湿性和定向润湿性等。而其中以沙漠甲虫、水稻叶等表面为代表的非均匀润湿性微阵列表面可实现液滴的滚动控制和定向运输以及雾气收集等操控行为,其作用原理在生化合成、干旱多雾地区水资源收集、油水分离等新兴领域具有重要应用价值。然而目前非均匀润湿性表面的制备过程复杂,基于金属基底的制备研究较少。本论文受沙漠甲虫、水稻叶等典型生物表面启发,在金属基体加工制备非均匀润湿性微阵列表面,系统地对它们在液滴操控及各向异性摩擦磨损等方面的应用进行了研究。本文首先利用FeCl3化学刻蚀和激光定域去除结合的方法,在45#钢基体上制备了非均匀润湿性微阵列表面,并对其液滴运输特性进行了研究。通过调节腐蚀及修饰时间实现表面滚动角从3°～50°范围的可控变化。实验表明,更宽的亲水凹槽宽度及更大的表面黏度亦可增大滚动角各向异性。所制备的楔形微阵列表面可实现液滴定向运输并在倾斜角为0°-15°范围内实现液滴的逆重力搬运;随着楔形角从2°增大到8°,液滴最大速率从...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自然界中的特殊润湿现象（a）具有超疏水特性的荷叶表面；（b）具有超亲水特性的泥炭藓表面；（c）具有非均匀润湿性的沙漠甲虫表面；（d）具有定
第1章绪论3节，他们实现了液滴的抓取与释放等操作[28][29]。吉林大学的Wu等人利用双光干涉激光加工技术加工出PDMS微柱阵列，实验中通过弯曲表面增大微阵列间距减小水滴与微阵列之间的接触面积使黏附力和滚动角显著降低，实现表面由高黏附向低黏附转变，从而实现表面变形驱动的液滴无损转移[16][30]。图1.2基于表面形变的液滴控制（a）不同曲率下液滴接触状态的变化示意图；（b）液滴滚动角随曲率变化图1.2.2场响应驱动液滴操控外场刺激驱动液滴操控是指利用外场刺激（如pH、温度、电场及磁场等）使材料表面化学成分、微结构或固-液表面张力原位改变，进而实现固-液界面黏附性控制及液滴操控的方法[32][33]。（1）电场响应约翰霍普金斯大学的Luo等人制备的低密度MHA表面在不同的施加电势下显示出较大的接触角滞后变化。接触角滞后的调节是通过固-液界面处的局部分子重组来实现的，它可以响应电位而无需任何预先定义的图案化电极。通过电位调节可以使液滴拉伸和收缩，呈现出类似蠕虫运动的形态[34]。（2）磁场响应通过施加磁场可对磁流体液滴直接控制，可原位改变磁响应颗粒，动态调整微/纳米结构，实现对液滴黏附性的改变[35]，从而实现对液滴的操纵和运输。麻省理工学院的Zhu等人在弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体上制备了具有磁响应的铁磁微柱阵列，通过调节磁场角度改变微柱阵列取向，实现对液滴滚动阻力
吉林大学硕士论文4的调节，同时还可动态控制液体扩散过程[36]。图1.3磁响应液滴操控（a）在不同磁场方向作用下液滴的单向移动现象；（b）不同磁场方向作用时液滴黏附力变化（3）温度响应首尔国立大学的Kim等人利用热响应性聚合物PNIPAA组成等边三角形微棱镜阵列，并在其一侧覆盖上金属膜，由于两个表面上的临界接触角不同，通过控制温度，利用热敏聚合物的润湿特性变化实现了液体的单向流动[37]。（4）pH响应中国科学院大学的Liu等人将pH刺激响应的聚合物刷接枝在粗糙的阳极氧化铝表面上，制备出pH响应液滴黏附力可控表面，当酸性或中性液滴接触表面时，聚合物链呈溶胀状态，表面呈现高黏附性；而当外加少量的NH3液滴进入酸性液滴使混合液滴的pH增加到高于12时，聚合物链转变为塌陷状态，从而导致混合碱性液滴在表面滑动[38]。华南理工大学的Wu等人提出聚电解质刷中的垮链氧键网可由pH诱导重组，从而通过pH改变实现对聚电解质刷修饰的表面的液滴黏附性的原位调控[39]。图1.4pH响应液滴控制（a）选择性拾取酸性液滴示意图（b）相应的实验照片
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同润湿性液体在粗糙表面的润湿滞后现象[J]. 肖易航,郑军,何勇明,刘鸿博,龚丁. 中国表面工程. 2019(06)
[2]固/液界面润湿性对线接触油膜润滑的影响[J]. 金微,李书义,荆兆刚,郭峰. 表面技术. 2020(09)
[3]纳秒激光诱导氧化钛片及涂层的润湿性研究[J]. 刘晨华,祝锡晶,黎相孟,赵玉田. 激光与光电子学进展. 2020(01)
[4]激光快速加工梯度润湿性表面的实验研究[J]. 叶云霞,刘远方,杜婷婷,花银群,符永宏,李祥阳,黄煊. 中国激光. 2019(10)
[5]表面润湿性对水润滑Al-Mg合金摩擦学特性的影响[J]. 连峰,张会臣,常允乐,徐喆. 功能材料. 2013(21)
[6]等离子体表面改性技术[J]. 王健,马驰,陈尔凡. 辽宁化工. 2012(05)
[7]钢铁表面超疏水膜的制备与表征[J]. 葛圣松,李娟,邵谦,刘青云. 功能材料. 2012(05)
[8]植物叶表面的润湿性及其生态学意义[J]. 石辉,王会霞,李秧秧. 生态学报. 2011(15)
[9]沙漠甲虫背部凝水分析[J]. 张欣茹,姜泽毅,柳翠翠,杨怡菲,张欣欣. 应用基础与工程科学学报. 2006(02)
[10]Superhydrophobicity frommicrostructured surface[J]. ZHENG Lijun,WU Xuedong,LOU Zeng & WU Dan School of Chemistry and Chemical Technology,Shanghai Jiaotong Uni- versity,Shanghai 200240,China. Chinese Science Bulletin. 2004(17)
博士论文
[1]仿生结构化石墨烯多功能表面的制备及集水性能研究[D]. 宋云云.吉林大学 2019
[2]特殊润湿功能表面的理论、构筑与应用[D]. 潘帅军.湖南大学 2015
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
[2]掩膜电解加工制备铝基可控超疏水圆柱阵列[D]. 程玮.大连理工大学 2018
[3]亲疏复合织构化PCD刀具表面的减摩性能研究[D]. 崔炜.南京航空航天大学 2018
[4]超疏水金属基圆柱阵列的掩膜微细加工研究[D]. 崔尧.大连理工大学 2016
[5]激光微加工Ti、Ti6Al4V表面润湿性研究[D]. 李媛.天津大学 2016
本文编号：3441627
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自然界中的特殊润湿现象（a）具有超疏水特性的荷叶表面；（b）具有超亲水特性的泥炭藓表面；（c）具有非均匀润湿性的沙漠甲虫表面；（d）具有定
第1章绪论3节，他们实现了液滴的抓取与释放等操作[28][29]。吉林大学的Wu等人利用双光干涉激光加工技术加工出PDMS微柱阵列，实验中通过弯曲表面增大微阵列间距减小水滴与微阵列之间的接触面积使黏附力和滚动角显著降低，实现表面由高黏附向低黏附转变，从而实现表面变形驱动的液滴无损转移[16][30]。图1.2基于表面形变的液滴控制（a）不同曲率下液滴接触状态的变化示意图；（b）液滴滚动角随曲率变化图1.2.2场响应驱动液滴操控外场刺激驱动液滴操控是指利用外场刺激（如pH、温度、电场及磁场等）使材料表面化学成分、微结构或固-液表面张力原位改变，进而实现固-液界面黏附性控制及液滴操控的方法[32][33]。（1）电场响应约翰霍普金斯大学的Luo等人制备的低密度MHA表面在不同的施加电势下显示出较大的接触角滞后变化。接触角滞后的调节是通过固-液界面处的局部分子重组来实现的，它可以响应电位而无需任何预先定义的图案化电极。通过电位调节可以使液滴拉伸和收缩，呈现出类似蠕虫运动的形态[34]。（2）磁场响应通过施加磁场可对磁流体液滴直接控制，可原位改变磁响应颗粒，动态调整微/纳米结构，实现对液滴黏附性的改变[35]，从而实现对液滴的操纵和运输。麻省理工学院的Zhu等人在弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体上制备了具有磁响应的铁磁微柱阵列，通过调节磁场角度改变微柱阵列取向，实现对液滴滚动阻力
吉林大学硕士论文4的调节，同时还可动态控制液体扩散过程[36]。图1.3磁响应液滴操控（a）在不同磁场方向作用下液滴的单向移动现象；（b）不同磁场方向作用时液滴黏附力变化（3）温度响应首尔国立大学的Kim等人利用热响应性聚合物PNIPAA组成等边三角形微棱镜阵列，并在其一侧覆盖上金属膜，由于两个表面上的临界接触角不同，通过控制温度，利用热敏聚合物的润湿特性变化实现了液体的单向流动[37]。（4）pH响应中国科学院大学的Liu等人将pH刺激响应的聚合物刷接枝在粗糙的阳极氧化铝表面上，制备出pH响应液滴黏附力可控表面，当酸性或中性液滴接触表面时，聚合物链呈溶胀状态，表面呈现高黏附性；而当外加少量的NH3液滴进入酸性液滴使混合液滴的pH增加到高于12时，聚合物链转变为塌陷状态，从而导致混合碱性液滴在表面滑动[38]。华南理工大学的Wu等人提出聚电解质刷中的垮链氧键网可由pH诱导重组，从而通过pH改变实现对聚电解质刷修饰的表面的液滴黏附性的原位调控[39]。图1.4pH响应液滴控制（a）选择性拾取酸性液滴示意图（b）相应的实验照片
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同润湿性液体在粗糙表面的润湿滞后现象[J]. 肖易航,郑军,何勇明,刘鸿博,龚丁. 中国表面工程. 2019(06)
[2]固/液界面润湿性对线接触油膜润滑的影响[J]. 金微,李书义,荆兆刚,郭峰. 表面技术. 2020(09)
[3]纳秒激光诱导氧化钛片及涂层的润湿性研究[J]. 刘晨华,祝锡晶,黎相孟,赵玉田. 激光与光电子学进展. 2020(01)
[4]激光快速加工梯度润湿性表面的实验研究[J]. 叶云霞,刘远方,杜婷婷,花银群,符永宏,李祥阳,黄煊. 中国激光. 2019(10)
[5]表面润湿性对水润滑Al-Mg合金摩擦学特性的影响[J]. 连峰,张会臣,常允乐,徐喆. 功能材料. 2013(21)
[6]等离子体表面改性技术[J]. 王健,马驰,陈尔凡. 辽宁化工. 2012(05)
[7]钢铁表面超疏水膜的制备与表征[J]. 葛圣松,李娟,邵谦,刘青云. 功能材料. 2012(05)
[8]植物叶表面的润湿性及其生态学意义[J]. 石辉,王会霞,李秧秧. 生态学报. 2011(15)
[9]沙漠甲虫背部凝水分析[J]. 张欣茹,姜泽毅,柳翠翠,杨怡菲,张欣欣. 应用基础与工程科学学报. 2006(02)
[10]Superhydrophobicity frommicrostructured surface[J]. ZHENG Lijun,WU Xuedong,LOU Zeng & WU Dan School of Chemistry and Chemical Technology,Shanghai Jiaotong Uni- versity,Shanghai 200240,China. Chinese Science Bulletin. 2004(17)
博士论文
[1]仿生结构化石墨烯多功能表面的制备及集水性能研究[D]. 宋云云.吉林大学 2019
[2]特殊润湿功能表面的理论、构筑与应用[D]. 潘帅军.湖南大学 2015
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
[2]掩膜电解加工制备铝基可控超疏水圆柱阵列[D]. 程玮.大连理工大学 2018
[3]亲疏复合织构化PCD刀具表面的减摩性能研究[D]. 崔炜.南京航空航天大学 2018
[4]超疏水金属基圆柱阵列的掩膜微细加工研究[D]. 崔尧.大连理工大学 2016
[5]激光微加工Ti、Ti6Al4V表面润湿性研究[D]. 李媛.天津大学 2016
本文编号：3441627
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