特殊潤濕功能表面的理論、構(gòu)筑與應(yīng)用.pdf

1、潤濕現(xiàn)象是自然界普遍存在的重要界面現(xiàn)象，與我們的日常生活密不可分，具有重要的實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。自1997年，Planta報(bào)道荷葉表面的自清潔特性以來，具有特殊潤濕性的表面材料受到了廣泛的關(guān)注。材料表面的特殊潤濕性具體體現(xiàn)在表面對(duì)液體的極端排斥作用或極端親潤作用，衡量材料表面潤濕性的一個(gè)重要指標(biāo)是液體的接觸角，接觸角大于150°的表面被稱為超疏水表面或超疏油表面，接觸角接近于0°的表面被稱為超親水表面或超親油表面，如果在一定外界刺激

2、下材料表面的特殊潤濕性發(fā)生轉(zhuǎn)變，這類表面又被稱為潤濕響應(yīng)性表面。由于在抗污、自清潔、抗水霧、化學(xué)防護(hù)、隔熱抗冰、流體減阻、油水分離、微型制造、微流體調(diào)控等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，近年來，科學(xué)工作者在自然生物表面潤濕特性的啟發(fā)下，開發(fā)出了許多具有特殊潤濕功能的表面材料，極大推動(dòng)了表面科學(xué)的發(fā)展。然而，科學(xué)界在揭示表面潤濕性與結(jié)構(gòu)內(nèi)在關(guān)系方面還未形成統(tǒng)一的理論;在表面異質(zhì)潤濕性方面還沒有明確的實(shí)施途徑和潤濕機(jī)理;在表面極端潤濕性方面還未能實(shí)現(xiàn)對(duì)

3、幾乎所有液體均具有排斥作用的超全疏表面。
　　著眼于上述亟待解決的科學(xué)問題，本論文首先從銀杏葉向陽面和背陰面迥異的潤濕現(xiàn)象出發(fā)，通過微觀結(jié)構(gòu)分析以及仿生研究揭示銀杏葉表面的特殊潤濕性機(jī)制及其生態(tài)學(xué)依據(jù);然后，通過數(shù)學(xué)建模和理論計(jì)算探討表面微觀結(jié)構(gòu)和宏觀潤濕性的定量關(guān)系，并通過對(duì)響應(yīng)性超疏水表面、反常超親水超疏油表面以及功能超全疏表面的研究，以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表面結(jié)構(gòu)與潤濕性的理論關(guān)系;進(jìn)而深入探討特殊潤濕功能表面在自清潔、智能調(diào)

4、控、油水分離、化學(xué)防護(hù)以及減阻運(yùn)載等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本論文在此研究基礎(chǔ)上，首次建立了特殊潤濕功能表面的理論、構(gòu)筑與應(yīng)用的系統(tǒng)研究方法，取得了以下主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果:
　　在仿生超疏水表面的研究方面，首次揭示了銀杏葉背陰面具有穩(wěn)定的超疏水特性，這主要是由背陰面球形顆粒凸起的微觀形貌以及銀杏葉表面的蠟質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的;仿照銀杏葉背陰面特殊潤濕現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)機(jī)理，通過化學(xué)手段在人工表面上再現(xiàn)了與天然表面相匹敵的超疏水自清潔特性;此外，基于偶

5、氮苯衍生物的光致異構(gòu)現(xiàn)象，成功提出了超疏水表面的光致潤濕作用機(jī)理，并且還首次實(shí)現(xiàn)了表面超疏液和超親液兩種極端潤濕狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)、連續(xù)和循環(huán)的智能調(diào)控。
　　在結(jié)構(gòu)與潤濕性理論研究方面，啟發(fā)于銀杏葉特異潤濕現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)機(jī)制，率先建立了宏觀粗糙表面的球形結(jié)構(gòu)和纖維結(jié)構(gòu)的微觀模型，并從液體接觸角、潤濕體系自由能、復(fù)合潤濕狀態(tài)的穩(wěn)定性以及表面對(duì)空氣的容納能力等多個(gè)方面進(jìn)行了全面詳盡的理論推導(dǎo)，首次形成了一套對(duì)實(shí)際表面特殊潤濕現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)分析

6、和表征的理論研究方法。
　　在表面的化學(xué)異質(zhì)性研究方面，通過系統(tǒng)的表面功能設(shè)計(jì)和有效的潤濕性能控制，首次構(gòu)筑了一種機(jī)械、化學(xué)以及熱穩(wěn)定的反常超親水超疏油表面;近百種液體的潤濕性研究表明，這種反常表面不但對(duì)極性液體具有即時(shí)響應(yīng)的選擇潤濕作用，而且對(duì)非極性有機(jī)液體還具有超強(qiáng)的抗?jié)櫇褡饔?，這種反常的表面潤濕特性在文獻(xiàn)報(bào)道中是獨(dú)一無二的;進(jìn)而結(jié)合表面元素分析，首次提出并成功驗(yàn)證了反常表面的二元異質(zhì)性潤濕機(jī)理;在此基礎(chǔ)上，深入系統(tǒng)地研究了超

7、親水超疏油表面的自清潔和油水分離應(yīng)用，研究結(jié)果展示出這種反常表面具有非常廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。
　　在探索表面抗?jié)櫇裥詷O限方面，首次詳細(xì)闡述了具有超低表面能的多級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)在超全疏表面的設(shè)計(jì)和開發(fā)中的重要作用;利用靜電紡絲技術(shù)成功獲得了的一種有機(jī)無機(jī)雜化的低表面能多級(jí)粗糙性超全疏表面;研究表明，上百種不同物理性質(zhì)液體均具有超高的接觸角和超低的接觸角滯后，這種極致的抗?jié)櫇褡饔貌粌H成功驗(yàn)證了多級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)重要作用，還成功刷新了超全疏表面的抗