仿生特殊浸润性材料的制备与应用

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基于自然界中具有特殊浸润性表面结构和性质,本文通过表面微结构和化学组成精细调控,制备了多种特殊浸润性聚合物表面,包括仿荷叶超疏水/血表面、仿荷叶和玫瑰花瓣水滴动态浸润行为可调超疏水表面和仿猪笼草超滑表面。将特殊浸润性表面的研究从传统的气-液-固界面延伸到气-液-液界面,并探究了所得特殊浸润性材料在自清洁、油水分离、液滴输运、图案化表面、抗结冰、微反应器、止血材料等领域的应用。本论文主要研究内容如下:  1.溶剂诱导结晶制备超疏液聚丙烯表面  发展了一种简便制备超疏液聚丙烯无纺布的方法,即利用被溶剂溶胀的聚丙烯结晶从而在聚丙烯纤维表面原位形成亚微米级凸起,表面粗糙度的提高及本身低表面能赋予材料超疏水的功能,同时对牛奶、咖啡、血液、尿液等液体不浸润。研究了温度、时间、溶剂组成对表面微结构和浸润性的影响,发现环己烷/正庚烷比例为1/2的混合溶剂在80℃处理无纺布,可快速(10s)得到超疏液聚丙烯无纺布。对改性前后无纺布结晶行为、力学性能、耐磨性能、耐酸碱性、持久性进行了研究,探究了超疏液无纺布在油水分离中的应用。  2.水滴动态浸润行为可调的超疏水表面研究  通过调控溶液中无规聚丙烯和等规聚丙烯的比例,利用两者结晶性的差异,制备了表面微结构可调的无规/等规聚丙烯复合表面。发现当无规聚丙烯与等规聚丙烯比例从2/1增加到6/1,水滴静态接触角均大于150,但水滴粘附力从15μN增加为188μN,水滴在表面的浸润状态从Cassie态过渡到Cassie浸润渗透态。详细分析了无规聚丙烯与等规聚丙烯比例对表面微结构、水滴静/动态浸润行为、水滴浸润状态、蒸发行为以及涂层与基底附着力的影响。探究了制备的动态浸润行为可调超疏水表面在液滴无损输运、图案化、超滑表面等领域的应用。  3.超疏血纱布的制备及止血性能评价  提出制备止血织物的新思路,即将超疏血纱布与传统纱布复合,利用传统纱布吸收血液中的水促进凝血、超疏血纱布产生负压阻碍血液进一步浸润和渗透,实现有效止血的同时降低失血量。通过长链烷烃溶液浸渍处理传统纱布得到超疏血纱布,表征了改性前后纱布表面化学组成、浸润性、透气、透湿等性能的变化。通过失血量、有效止血时间、伤口干净程度和存活时间(心跳时间)等指标在老鼠背部肌肉损伤模型、肝损伤模型、股动脉损伤模型、颈动脉损伤模型中研究了织物的止血性能。实验表明超疏血纱布和传统纱布复合使用不仅可以有效止血、保持伤口干净,并能降低失血量约60%,在血流量较大的动物模型中,还可显著延长存活时间。  4.超滑表面的制备及应用  通过在聚丙烯表面微结构中灌注润滑油制备了超滑表面,研究了超滑表面的自清洁、光学特性和持久性,并探究了其在蒸汽冷凝和抗结冰领域的应用。系统研究了水滴在超疏水表面(气-液-固界面)、超滑表面(气-液-液界面)、超疏水-超滑复合表面(气-液-液-固界面)的运动行为。实验表明,水滴在超疏水表面作匀加速运动,而在超滑表面最终将作匀速运动;由于滚动-滑动与其逆过程需要克服不等的能垒,水滴在超疏水-超滑界面区域运动时表现出不同运动行为,水滴较容易从超疏水表面滚动到超滑表面,而较难从超滑表面滑动到超疏水表面。此外,以十六烷为润滑油制备了温度响应的水滴锚定-滑动可逆表面,考察了其在微反应器中的应用。
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