仿生制备具有特殊黏附性的超疏水表面

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浸润性是固体表面十分重要的一个性质,其主要决定于固体表面的化学组成及其微观结构。在对表面浸润性的研究过程中,超疏水表面以其独特的疏水性能,在防水,防腐,以及具有自清洁性能工业产品中的应用而倍受关注。到目前为止,对于超疏水表面,相关研究主要经历了以下几个阶段,即从合成单一超疏水表面,合成多功能超疏水表面,到合成具有响应特性的智能超疏水表面。在超疏水表面众多的特性当中,黏附性的研究显得极为重要,因为表面的黏附性直接决定了液体在超疏水表面上的动态行为。而自然界很多神奇的现象比如壁虎,蚊子,苍蝇等动物的爬行又给了我们很多启发,因此,在本论文中,我们从仿生的角度出发,合成了具有可控结构的超疏水表面,研究了表面结构对超疏水表面黏附性的影响,同时,还将壁虎爬行的智能特性引申到了对材料的制备当中,合成了对微流体具有可逆响应的智能超疏水表面。这些结果对将来新材料的设计与制备都将起到很重要的作用。   1.以多孔氧化铝为模板,作者制备了顶端形貌分别为平滑,凹面,以及管状结构的聚苯乙烯(PS)阵列膜。水滴在表面上的接触角均大于150°,表明了样品的超疏水特性。同时这三种超疏水表面均显示出了高黏附特性,即水滴在表面上被牢牢粘附,不能自由运动。但是,通过精确的力学测试表明,它们对水滴的黏附性有着显著的差异,即凹面形表面表现出最高的黏附性,其次为平滑结构的表面,最后为管状结构的膜。这些结果表明样品表面与水滴之间的接触形貌对样品的黏附性有着显著的影响。   2.目前对超疏水黏附性方面的研究主要还集中在合成具有低黏附,高黏附以及通过改变表面结构或化学组成实现对表面黏附性的调控,而在黏附性响应性方面的研究还是空白。因此,作者合成了在磁场作用下,对超顺磁微流体黏附性具有响应性的超疏水表面。通过对普通的铁磁性铁片进行处理,制备出了超疏水铁表面。新制备出的表面对超顺磁微流体具有较低的黏附性,微流体在表面上可以自由滚动。当此表面在磁场中磁化后,超顺磁微流体在表面上即被粘住,表面表现出了高黏附特性,进一步对表面去磁化后,超顺磁微流体在表面上又可自由滚动,表明表面又恢复到了最初的低黏附状态。研究表明通过外场的调控,可以实现对超疏水表面与微流体之间的黏附性进行有效的调控。   3.液滴在超疏水表面上的动态行为同样很重要,在超疏水表面上,液滴主要存在与两种形式,即Cassie态与Wenzel态。在这两种状态下,液滴表现出不同的动态行为,一般情况下,在Cassie态黏附力较低,液滴可以在表面滚动,而相反的是,在Wenzel态下,液滴则被牢牢黏附,表现出高黏附特性。因此通过对液滴在不同状态之间的调控,同样可以实现对表面与液滴之间黏附性的调控。在此,作者利用外磁场的作用,实现了对超顺磁微流体在超疏水硅表面上从Cassie态与Wenzel态之间的可逆转变。研究表明,两种状态之间转变存在着显著的不对称性,即从Cassie态向Wenzel态转变比较容易,相反,从Wenzel态向Cassie态转变则显得相对困难。同时,此实验还为在超疏水表面上控制液体的运动提供了一种新方法。
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