环境条件对纳米球阵列表面粘附、滑动、滚动性能影响的研究

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液体在固体表面的浸润性是固体表面性质的重要组成部分。固体表面的超疏水现象是存在于自然界许多动植物中的一种普遍的现象,以荷叶和水黾为典型的代表。液滴在其表面自由滚动,在此过程中带走异物的自清洁现象,最早由Barthlott和Neinhuis命名为“荷叶效应。而液滴与固体表面间的夹角θ,通常被称作接触角,用于表征液滴与固体表面接触的难易程度。研究人员通常将接触角大于150°,滚动角小于10°的表面称作超疏水表面。超疏水表面所表现出来的自清洁、防覆冰、防尘性能引起了研究人员的广泛关注。氟碳高分子(如PTFE、FEP、PFA等),由于材料中氟原子的吸电子能力强,C-F键键能高且难以极化,因而拥有极低的表面能。而氟碳高分子又具有耐高温、抗腐蚀、自润滑等优良的性能,在高分子超疏水表面领域具有广泛的应用前景。而多孔阳极氧化铝(AAO)材料,由于其制备容易,又具有规整的微纳结构,十分适于作为构建高分子超疏水表面的基板使用。本文利用氟碳高分子以及AAO模板制备了纳米球阵列表面,并针对不同表面结构对于表面疏水行为、液滴滚动行为的影响,做出了系统的研究。并且,通过改变环境温湿度,研究了环境因素对于表面疏水行为、滚动行为的影响。主要的研究内容及结果如下:1.本研究利用了高温烧结固化的方法,以不同孔径的阳极氧化铝作为基板,选择了化学结构相似的低表面能氟碳高分子PTFE、PFA材料作为表面涂层,制备了具有纳米球结构的疏水表面。通过对于一般环境条件下接触角的测试,证实了基板微纳结构对表面形貌特征的影响,进而对表面润湿性能产生改变,对于制备指定润湿性能的超疏水表面具有一定的指导意义。2.通过超高速摄像机的拍摄,跟踪水滴在高分子纳米球阵列表面的动态行为,分析和计算滚动过程中液滴各个部分的运动轨迹后发现,液滴在滚动中兼具滚动与滑动两种运动模式。通过对于两种运动模式的跟踪,计算出两种运动模式的比例并与表面结构联系,发现了表面微纳结构不仅可以改变液滴的静态疏水性质例如接触角与滚动角,对于动态行为,例如滑动与滚动的比例,也有重要的影响。本文创造性的通过对液滴内部流动性的分析,从动态的角度评价高分子表面的疏水行为,提供了一种全新的分析视角。3.选择了不同的温湿度条件(5C°&25C°,30%-80%RH),测试了液滴在疏水表面的润湿性能以及滚动,滑动等动态行为,分别研究了温度以及湿度条件对于表面疏水行为、液滴动态行为的影响,通过对表面微观结构的观测与分析,建立了液滴滚动、滑动行为与温湿度环境的相关性,也为Cassie-Baxter模型与Wenzel模型的转化提供了直接的证据。4.利用原子力显微镜测试了月尘在高分子纳米球阵列表面的粘附力以及摩擦力,并对其防尘性能进行了简单的研究。结果表明,由于表面具有良好的防尘性能,在航空航天领域有着广泛的应用前景。
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