超疏水表面的仿生构建

论文摘要

浸润性是固体表面的一个重要性质,主要由固体表面化学组成和表面微细几何结构共同决定。近年来,受“荷叶效应”的启发,与水的接触角大于150°的超疏水表面引起了广泛的研究兴趣。本论文综述了超疏水表面的研究进展,在现有文献的基础上提出了本文的研究思路,采用四种新颖的方法构建了超疏水表面并研究了相应的润湿性能,论文的主要研究内容和创新点如下:1.基于软刻蚀和浇注成膜的原理,首次以天然芋头叶为母板,采用软模板浇注法构建了新颖的类芋头叶状超疏水聚苯乙烯薄膜,用类似的方法还构建了类荷叶状超疏水聚氯乙烯薄膜,在Wenzel和Cassie模型的基础上提出了简化模型研究突起结构对疏水性的影响,研究结果表明聚苯乙烯和聚氯乙烯薄膜表面的粗糙突起结构显著增强了疏水性,其表面与水的接触角分别为158±1.6°和157±1.8°。研究结果表明这两种超疏水表面都具有极好的自清洁性和稳定性,可适用于不同类型的液体。对两种薄膜表面进行了冷凝研究,结果表明冷凝可增加接触角滞后。2.基于聚合物溶液相分离的原理,采用一种新颖的乙醇辅助法构建了由大量聚苯乙烯微球构成的新颖的多孔超疏水聚苯乙烯薄膜,该薄膜与水的接触角为156±1.9°。润湿性研究表明该薄膜在较广泛pH值范围内都保持了较高的疏水性,乙醇和丙酮可润湿该表面。研究了薄膜表面冷凝水滴的润湿性。研究了乙醇加入量与薄膜表面接触角之间的关系,分析了超疏水聚苯乙烯薄膜的可能形成过程,结果表明乙醇的加入量是影响薄膜表面微观结构以及润湿性的重要因素。运用醇辅助法还成功构建了多孔超疏水聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。3.发展了一种新颖的乙醇辅助控制温度的方法来构建由大量微“花瓣”结构构成的新颖的多孔超疏水高密度聚乙烯表面,该表面与水的接触角和滚动角分别为160±1.9°和2±1.6°。研究了干燥温度、相对湿度、浓度及乙醇对高密度聚乙烯薄膜表面形貌及润湿性的影响,结果表明接触角随温度的降低而升高,合适的相对湿度是60～75%,加入适量的乙醇可以进一步提高接触角。考察了超疏水高密度聚乙烯薄膜表面的自清洁性和稳定性。运用该方法还成功构建了超疏水线性低密度聚乙烯表面。4.提出了新颖的石蜡浸渍法构建类荷叶状的超疏水纸。研究结果表明该纸表面由大量分散的石蜡“突起”组成,这些石蜡“突起”的平均直径为5μm,石蜡“突起”之间的距离在1～8μm之间,正是这些分散的“突起”使纸表面由超亲水变成了超疏水。该超疏水纸具有良好的自清洁性和防水性。研究结果表明加水量是构建超疏水纸的一个重要因素,合适的加水量是溶剂体积的4%～6%,还研究了相对湿度、石蜡溶液浓度对纸表面接触角的影响,简单测试了超疏水纸表面的机械稳定性。5.研究了超疏水聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯表面的动态凝血性、溶血率以及血小板黏附等性能,结果表明超疏水表面比普通的光滑薄膜具有更好的血液相容性。本论文所用的构建方法都非常简单,不需要特殊的加工设备,也不需要昂贵的低表面能氟化物进行修饰,能适用于多种材料,具有很好的工业应用潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语表
• 第一章 文献综述
• 1.1 超疏水表面现象
• 1.2 超疏水表面应用前景
• 1.2.1 建筑领域
• 1.2.2 服装纺织领域
• 1.2.3 液体输送
• 1.2.4 生物医学
• 1.2.5 日用品与包装
• 1.2.6 交通运输工具
• 1.3 超疏水表面理论基础
• 1.3.1 接触角定义及Young氏方程
• 1.3.2 Wenzel接触角方程
• 1.3.3 Cassie-Baxter接触角方程
• 1.3.4 Wenzel模型和Cassie-Baxter模型之间的关系
• 1.3.5 前进角、后退角及接触角滞后
• 1.3.6 滚动角
• 1.4 超疏水表面构建研究进展
• 1.4.1 具有不同表面微细结构的超疏水表面
• 1.4.2 一些特殊性能的超疏水表面
• 1.5 本文的选题思想
• 第二章 软模板浇注法构建类芋头叶状超疏水聚苯乙烯和类荷叶状聚氯乙烯薄膜
• 2.1 引言
• 2.2 实验原材料及仪器
• 2.2.1 实验原材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 实验原理
• 2.4 超疏水聚苯乙烯和聚氯乙烯薄膜的构建
• 2.5 PS和PVC薄膜的表征
• 2.6 结果分析与讨论
• 2.6.1 天然新鲜芋头叶和荷叶表面形貌分析
• 2.6.2 PDMS模板分析
• 2.6.3 芋头叶状PS和荷叶状PVC薄膜的表面形貌分析
• 2.6.4 芋头叶状PS和荷叶状PVC薄膜的润湿性研究
• 2.6.5 类芋头叶状PS和荷叶状PVC薄膜的自清洁性能研究
• 2.6.6 类芋头叶状PS和荷叶状PVC薄膜的疏水稳定性研究
• 2.6.7 水的冷凝对超疏水性的影响
• 2.7 本章小结
• 第三章 醇辅助法构建由微球构成的超疏水聚苯乙烯表面
• 3.1 引言
• 3.2 实验原材料及仪器
• 3.2.1 实验原材料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 实验步骤
• 3.4 表征手段
• 3.5 结果分析与讨论
• 3.5.1 乙醇的添加量对聚苯乙烯表面润湿性的影响
• 3.5.2 其它醇类的影响
• 3.5.3 醇辅助方法在构建其它超疏水表面中的应用
• 3.6 本章小结
• 第四章 乙醇辅助控制温度法构建超疏水高密度聚乙烯
• 4.1 引言
• 4.2 实验原材料及仪器
• 4.2.1 实验原材料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.3 实验步骤
• 4.4 表征手段
• 4.5 结果分析与讨论
• 4.5.1 温度对高密度聚乙烯表面形貌及润湿性的影响
• 4.5.2 相对湿度对高密度聚乙烯表面形貌及润湿性的影响
• 4.5.3 乙醇对高密度聚乙烯表面形貌及润湿性的影响
• 4.5.4 浓度对高密度聚乙烯表面润湿性的影响
• 4.5.5 超疏水高密度聚乙烯的自清洁性能研究
• 4.5.6 超疏水高密度聚乙烯的稳定性能研究
• 4.6 非纯水液体在超疏水高密度聚乙烯表面的润湿性
• 4.7 乙醇辅助控制温度法的应用
• 4.8 本章小结
• 第五章 石蜡浸渍法构建类荷叶状超疏水纸
• 5.1 引言
• 5.2 实验原料和仪器
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.3 实验原理及设想
• 5.4 实验步骤
• 5.5 样品表征
• 5.6 结果分析与讨论
• 5.6.1 未经浸渍加工原纸的表面形貌及润湿性
• 5.6.2 超疏水纸的表面形貌及润湿性分析
• 5.6.3 水的添加量对接触角的影响
• 5.6.4 相对湿度对接触角的影响
• 5.6.5 干燥温度对接触角和滚动角的影响
• 5.6.6 石蜡溶液浓度对超疏水纸表面接触角和滚动角的影响
• 5.7 超疏水纸表面的超疏水稳定性及自清洁性
• 5.8 超疏水纸表面的机械稳定性
• 5.9 本章小结
• 第六章 超疏水表面的血液相容性研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验原料及仪器
• 6.2.1 实验试剂
• 6.2.2 实验样品
• 6.2.3 血液相容性实验仪器
• 6.3 实验步骤
• 6.3.1 动态凝血试验
• 6.3.2 溶血性能实验
• 6.3.3 血小板黏附性能实验
• 6.4 结果分析与讨论
• 6.4.1 动态凝血性能
• 6.4.2 溶血率
• 6.4.3 血小板黏附性能
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本论文所做的主要工作及结论
• 7.2 对今后工作的设想及建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果目录