电沉积快速制备铜枝晶超疏表面

超疏表面通常采用低表面能和微纳米结构相结合的方法来进行构建。利用含有硫酸铜与硫酸的水溶液,通过电沉积方法制备微纳尺寸的铜枝晶结构,然后通过十四酸的无水乙醇溶液修饰晾干后,制备出阴极超疏水表面。采用傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、X射线(XRD)、接触角测量仪等测试所制备表面的表面结构、化学组成和超疏特性。结果表明:制备超疏表面所需的最短时间仅为20 s,最大的接触角为166°,滚动角小于2°;超疏表面由具有致密、规则的铜枝晶结构组成。这种制备超疏表面的方法快速、简单、易操作及成本低,所制得的超疏表面也易修复,具有较大的工业应用前景。

采用热压-喷涂法制备PMMA超疏表面涂层

以纳米SiO2和PMMA为原料,提出了一种以不锈钢丝网为热压模板结合喷涂法制备PMMA超疏表面的新方法.研究了热压压力和喷涂SiO2纳米粒子浓度对表面浸润性的影响.结果表明,SiO2纳米粒子能够明显改善PMMA表面的浸润性.在热压压力为0.5MPa、疏水性SiO2纳米粒子质量分数为4%时,可获得最佳的超疏水涂层,涂层的接触角为164°±0.8°,滚动角小于2°.通过扫描电镜（SEM）观察了涂层表面的微观结构,发现超疏水性涂层具备规则的微纳二元结构.该表面在p H值为114的范围内都具有很好的超疏性能;同时,制备的超疏水涂层在空气中放置10个月以上,其表面接触角仍大于150°.

超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差,因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素,因此,首先基于超疏水表面作用机制,对超疏水表面织构进行了归纳,旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题;然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结,从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施,为拓展超疏水表面加工体系提供思路;进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段,并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法;最后,展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景,以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。

液滴碰撞超疏水表面上附着不相溶液滴机理研究

以数值模拟为主要手段对液滴碰撞超疏水表面上附着不相溶液滴演变过程及内在机理进行了系统性的研究工作。首先,发掘出附着模式、弹开Ⅰ模式以及弹开Ⅱ模式等三种液滴碰撞的典型演变模式;其次,从能量角度揭示了Weber数(We)、Bond数(Bo)以及Ohnesorg数(Oh)等无量纲参数对于液滴碰撞动力学行为的影响规律;最后,建立了液滴碰撞典型演变模式与We、Bo、Oh等无量纲参数的依赖关系图谱。结果表明:碰撞液滴之间的能量传递、转换以及黏性耗散直接影响液滴碰撞的动力学行为;随着Oh的减小、Bo的减小以及We的增大,液滴碰撞典型演变模式出现从附着模式到弹开模式的转捩;We-Oh对液滴碰撞典型演变模式的影响规律与We-Bo近乎一致。

超疏水表面的制备及其在含油废水处理中的应用——一个物理化学综合创新实验

以较前沿的科研成果为基础设计了一个物理化学综合创新实验。通过该实验,学生不仅可以了解油污染水环境问题,加深对润湿性一般理论的理解,还可以掌握超疏水材料的制备、接触角表征以及超疏水/超亲油材料对含油废水进行处理的操作和方法。实验融入了较多的课程思政元素,通过引导学生利用课堂学习的表面化学理论知识解决含油废水处理问题,培养学生的社会责任感、专业自豪感、严谨的科学思维和创新能力。

亲水-超疏水相间表面通气减阻实验研究

超疏水表面有利于在壁面形成气膜层,是一种潜在的兼具防污功能的新式仿生减阻技术,但在高速来流的剪切作用下该气膜易流失破坏.通过构造亲水-超疏水相间表面来增强超疏水表面气膜层的稳定性,从而期望达到更优的减阻效果.采用重力式水循环管道测试系统,测试了在湍流状态下,超疏水条带宽度与雷诺数对减阻效果的影响,并分析了对应的气膜铺展状态及其对减阻特性的影响.结果表明,亲水-超疏水相间表面持续通气能解决表面气膜层的流失问题,实现气膜层的长时间稳定维持;表面减阻率随水流速度(雷诺数)的增大呈现降低趋势,且表面气膜稳定性逐渐降低;表面减阻率随超疏水条带宽度增加呈现出先增后减的趋势,并在超疏水条带宽度为5.0 mm时达到最大,最大减阻率为40.2%.分析原因在于,超疏水条带较窄时,高剪切应力的液固界面占比较高,带来了较高的阻力;而条带较宽时,表面气膜层稳定性不佳.因而在某一流动状态下,存在最为合适的超疏水条带宽度,使得减阻效果最佳.

烧结NdFeB磁体表面Zn-Al/T8超疏水复合涂层的显微组织及耐蚀性

为提升烧结NdFeB磁体的耐蚀性,采用旋涂法和等离子体增强化学气相沉积技术在其表面制备Zn-Al/T8(2-全氟辛基乙基丙烯酸酯)超疏水复合涂层。结果表明,Zn-Al涂层主要由片层状的Zn和Al相组成,厚度大约为28μm。Zn-Al/T8复合涂层的接触角达到151.78°,而滚动角仅为5.13°,说明Zn-Al/T8复合涂层可提供一个超疏水表面。Zn-Al涂层和Zn-Al/T8复合涂层对烧结NdFeB的磁性能均无显著影响。Zn-Al涂层通过牺牲阳极来提高NdFeB磁体的耐蚀性,而Zn-Al/T8复合涂层通过超疏水表面进一步提升耐蚀性。Zn-Al/T8复合涂层较Zn-Al涂层具有更好的耐盐雾性能。Zn-Al/T8超疏水复合涂层是一种非常有前途的烧结NdFeB磁体保护涂层。

多孔超疏水表面疏水稳定性与集气性能研究

基于仿生学思想,使用激光在铝板表面加工出凹槽和微槽的复合微纳形态,并在凹槽内加工出微孔作为气体通道。结果表明,复合微纳结构具有气泡自传输和气体收集特性,在石油化工、生物医学等领域的应用前景广阔。虽然近年来的研究已经实现了微气泡在非对称润湿结构中的定向运动,但对其在减少阻力方面的应用还没有很好的研究。本文使用纳秒激光处理500 µm厚的铝板,实现了气泡的自发定向传输。这种特殊的微结构采用低表面能材料进行处理,以提供更好的抗静水压力和气泡收集能力。

激光诱导硅橡胶超疏水表面及其耐磨性研究

硅橡胶是一种应用广泛的绝缘材料,对硅橡胶表面进行超疏水改性能够使得其在实际应用场合中变得更为安全可靠。激光加工处理硅橡胶表面能够绿色高效地制备超疏水表面,并使其获得耐腐蚀、抗结冰和自清洁等性能。但在超疏水表面的实际应用中,表面脆弱的疏水结构难以抵御外界的机械磨损。通过改变激光能量密度制备了不同表面微纳复合结构的超疏水硅橡胶表面,设计砂纸磨损测试对超疏水硅橡胶表面的耐磨性进行了研究。样品在承受2.2 kPa的压力下,超疏水表面在2000目的砂纸上进行单次100 mm行程的摩损,在表面失去疏水性后观测其表面形貌的变化。结果表明:持续的磨损破坏了超疏水硅橡胶表面的微纳复合结构,导致其失去疏水性。激光能量密度为15.0 J/cm^(2)制备的超疏水表面能够在12次磨损后保持其疏水性能,而激光能量密度为10.0 J/cm^(2)制备的超疏水表面在7次磨损后就失去了疏水性能,这是由于更大的激光能量密度下在表面构筑了更加致密和均匀的微纳复合结构,呈现出更好的耐磨性。

水下高压抗润湿V型槽分级铜纳米线簇超疏水表面的减阻研究

针对水下减阻超疏水表面气层稳定性差的问题,提出了在金属铜基底上使用两步电化学沉积法,制备了一种具有V型槽结构、区室化簇状结构和微纳分级结构的铜纳米线超疏水表面,进行了水下高压气层稳定性测试和减阻测试。结果表明,该表面最高可在0.45 MPa水压下维持76%的未润湿区域。同时,该表面在平板流变仪层流减阻测试中可取得高达56%的减阻率,具有优异的减阻性能。V型槽分级铜纳米线簇超疏水表面兼具水下高压气层稳定性和减阻效果,可应用到实际船舶航行领域,为解决超疏水表面减阻应用的瓶颈问题提供方案。

静电纺丝一步法制备PS-PU复合纳米纤维超疏水表面的研究

将聚苯乙烯(PS)和聚氨酯(PU)溶于二甲基甲酰胺/四氢呋喃(DMF/THF)溶剂[m(DMF)∶m(THF)=1∶1]中,采用静电纺丝一步法制备具有微纳米微球-纤维掺杂结构的PS-PU复合纳米纤维超疏水表面,并探究影响该超疏水表面疏水性的因素。研究结果表明,溶液质量分数、PS和PU质量比及静电纺丝电压、推进速率等均对PS-PU复合纳米纤维超疏水表面的疏水性有较大影响。由单因素试验和三因素三水平正交试验结果可知,当溶液质量分数为3%、m(PS)∶m(PU)=1∶1、纺丝电压为16 kV、推进速率为1.2 mL/h、接收距离为15 cm时,所得PS-PU复合纳米纤维超疏水表面具有最佳的疏水性,且耐水冲击性良好。研究结果可为后续超疏水表面的构建提供参考。

飞秒激光-化学混合制备多基底超疏水表面

超疏水表面因具有多种功能和广泛的应用引起了人们极大的兴趣。目前制备超疏水表面的方法大多只适用于一种或几种特定的基底材料,具有依赖基底的缺点。本文提出了一种基于飞秒激光-化学混合加工制备与基底无关的超疏水表面的方法。通过飞秒激光直接写入技术在基底上构建出微/纳米结构,然后用硬脂酸改性。硬脂酸涂覆激光处理后的样品(LTx-SA,x表示不同的样品)表面具有优异的超疏水和自清洁性能。此外,值得注意的是,将基底从20℃加热到100℃,或清洗基板10次,或将基板暴露在空气中60 d后,LTx-SA表面仍然保持稳定的超疏水特性。这项工作为制备与基底无关的超疏水表面提供了一种有效而简单的策略。

黏弹性液滴撞击超疏水表面的反弹行为研究

水滴撞击超疏水表面后通常会发生完全反弹.大量研究表明,通过在液滴中添加少量聚合物可有效抑制水滴的撞击反弹行为.尽管该方法已被广泛应用于工农业生产中,但对黏弹性液滴撞击反弹行为的抑制机理认识仍不够全面.采用高速摄影技术,开展了聚氧化乙烯(PEO)水溶液液滴撞击不同微纳复合结构超疏水表面的实验研究.研究结果表明:添加高分子可增强流体的黏弹性及其与表面的黏附作用,因而完全反弹行为仅发生在低PEO浓度液滴的撞击实验中,且随着超疏水表面微结构间距的增大,发生完全反弹的上限和下限韦伯数阈值均减小.在低韦伯数反弹区域,撞击液滴始终处在微结构顶部,因而接触时间随韦伯数的增加而减小,这与平整超疏水表面上的现象相似;在高韦伯数反弹区域,液体会部分浸润微结构表面,因而接触时间将随韦伯数的增加而增加.此外,所有反弹液滴的恢复系数随韦伯数的增加呈线性下降趋势,且下降速率随微结构间距的增大而减缓.基于界面力学和能量转换分析,对实验中观测到的黏弹性液滴撞击反弹动力学行为给予了定性解释.

仿生超疏水多级结构表面设计及机理研究

目的实现液滴在仿生超疏水表面的水黏附力调控。方法通过调控表面结构实现薄膜由仿玫瑰花瓣高黏附疏水表面转变为仿荷叶低黏附超疏水表面。将PS微球与无水乙醇混合制得涂层结构,将其转移到半固化的PDMS表面蒸发固化,通过调控PS微球的尺寸和混合比例,得到具有水黏附力可控的超疏水表面。利用场发射扫描电子显微镜、白光干涉仪和接触角测量仪,对薄膜表面的微观形貌、粗糙度和润湿性能进行表征。最后利用两种不同功能的表面制备了简易的液滴无损转移装置。结果通过制备直径为80 nm、8μm以及80 nm-8μm混合PS微球表面,发现80 nm和8μm表面的液滴接触角分别为129.3°和131.4°左右,但两种表面均呈现出液滴高黏附现象,即使表面翻转180°液滴也不会滚落。但80 nm-8μm混合表面呈现出低黏附超疏水现象,接触角可达158.3°,滚动角为8.9°。此外当两种粒子按体积比为1:1混合时,超疏水性最好。结论制备出的具有不同液滴黏附性的仿生超疏水表面,可实现微量液滴的无损转移,在自清洁、减阻、微流体和生化分析等领域具有应用潜力。

基于超疏水表面的人工血管抗凝血行为的数值模拟研究

目的将超疏水表面应用于人工血管是近年来提出的减缓血管移植初期血栓形成的新策略,然而患者体内血流动力学条件存在个体化差异,贸然进行血管配对易引起血液中血小板的短期激增并形成壁面黏附从而诱发凝血行为。本研究通过数值模拟探讨了超疏水表面微结构、血液流变参数等对血小板黏附的影响规律。方法在Fluent软件中利用Carreau模型定义血液为非牛顿流体,通过相位离散技术(DPM)追踪管道内示踪剂(血小板)的运动状态,对比不同边界条件下固体颗粒的黏附行为。结果通过优化微结构的“过渡因子”和“周期间距”使得血液流经管壁时所受黏滞阻力下降37%。同时,随着流体黏度的下降和流速的增加,血管近壁面的气膜“铠甲”产生周期性的“蠕动效应”,动态防御下血小板的黏附数量可减少约42%。结论流体流变特性和微结构尺寸的协同作用影响了血小板的黏附,针对不同生活习惯以及身体耐受性的临床患者应综合考虑以上两点。此外,本研究不仅为术后短期抑制血栓形成提供了新思路,还为新型抗血栓人工血管的制备以及临床应用提供了理论依据。

CaSO_(4)液滴在超疏水表面上的蒸发结晶特性研究

目的在铝基底上制备稳定的超疏水表面,研究其表面上硫酸钙液滴的蒸发结晶特性。方法通过简单的化学刻蚀法制备了一种超疏水表面,基于温湿度可控的可视化平台开展固着硫酸钙液滴的蒸发过程实验研究。同时,基于温度和相对湿度,开发了多变量拟合二次回归模型来描述其对液滴蒸发速率的影响。结果基底温度为40、50、60℃时,硫酸钙液滴和纯水液滴在亲水铝片表面上的蒸发模式均表现为CCR模式,在超疏水铝片表面上均表现为CCA模式。在超疏水铝片表面,纯水液滴与硫酸钙液滴的蒸发模式略有不同:在蒸发后期,硫酸钙液滴边缘盐分增加,在重力和Marangoni效应作用下,外部逐渐形成盐壳,接触半径呈上升趋势,说明超疏水表面不利于盐滴的钉扎。当蒸发速率较低时,在外部更容易形成盐壳,一旦外部形成盐壳,蒸发机制即发生了变化,液滴内部水分子需要克服盐壳内外的压差,并通过盐壳扩散进一步蒸发。结论通过固着液滴实验验证了硫酸钙液滴的蒸发模式与基底温度无关,而与基底的润湿性有关,并且液滴的蒸发速率随着相对湿度的降低和温度的升高而增大。通过R^(2)=0.9937的多变量拟合二次回归模型,对影响液滴蒸发的因素进行了方差分析,结果表明:在超疏水表面上温度和相对湿度对硫酸钙液滴的蒸发速率均有显著影响。研究成果为矿井水的资源化利用提供了有效的理论支撑。

微纳超疏水钛合金表面的制备及其性能研究

目的制备超疏水自清洁的Ti6Al4V合金表面。方法首先使用飞秒激光在Ti6Al4V合金表面预制备微米级结构,然后将预制备的样品置于1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中,在超声水浴状态下进行电化学去合金,获得微纳米复合结构。经表面改性后,得到微纳超疏水钛合金表面。结果经复合制备的微纳超疏水表面结构由微米级的梯形凸柱阵列,以及通过电化学去合金形成的三维纳米孔洞骨架和沉积的微米或亚微米金属氧化物组成。经过表面改性后,该微纳复合结构表面呈现优异的超疏水性,其接触角可达162.5°,滚动角低至3.4°。自清洁性能测试结果表明,该微纳超疏水钛合金表面展现出优异的低黏附性和自清洁性,1滴水对表面的清洁效率达到99.8%。激光加工参数与静态水接触角之间的关系表明,接触角与扫描间距呈负相关,与能量密度、重复次数呈正相关。结论飞秒激光结合电化学去合金方法制备的具有微纳结构的钛合金表面呈现出优异的超疏水自清洁性能,通过改变激光加工参数能够有效增大表面的静态水接触角,为后续研究提供了一定参考。

基于棕榈酸改性纳米TiO2超疏水涂层的制备

目前超疏水表面制备方法众多,但其改性机理及疏水机理研究仍不够完善。通过棕榈酸改性纳米TiO_(2)制备一种高效超疏水表面并分析其改性和疏水的机理。试验上按不同改性配比制得悬浮液,通过两步喷涂法将悬浮液喷涂到铝基表面制备得到超疏水表面,并采用傅里叶红外光谱仪和扫描电子显微镜进行表征与分析。研究中采用分子动力学模拟方法构建棕榈酸改性纳米TiO_(2)模型和润湿模型,使用COMPASS Ⅱ力场进行分子动力学模拟,通过体系构型以及均方根位移和径向分布函数的计算结果对改性机理、不同改性配比效果及微观润湿行为进行分析研究。经试验与模拟的验证,不同的改性配比形成不同的微纳结构对表面润湿性有着极大的影响,通过表征测试筛选得到最佳改性配比,成功改性制备得到接触角为164.4°的超疏水表面。经分析可知,棕榈酸与纳米TiO_(2)通过氢键吸附发生脱水缩合反应产生酯键,成功将亲水性的纳米TiO_(2)改性为超疏水性,改性配比制备的表面不仅表面能低,而且形成层次分明的微纳结构使得表面超疏水性能更佳。通过宏观试验与微观分子动力学模拟相结合的方法研究分析得到PA改性纳米TiO_(2)机理、不同改性配比对表面润湿性影响和疏水机理,进一步完善制备超疏水表面的相关机理研究,在超疏水表面制备及研究方面具有参考意义。

激光刻蚀法制备超疏水材料表面的研究进展

激光刻蚀法采用无接触式加工,操作简单、可靠、环保。从激光加工金属与非金属材料这两方面介绍激光刻蚀法。首先概括超疏水表面的概念与激光刻蚀法的原理,针对国内外的研究现状进行总结与归纳,最后对未来的研究方向提出可行性的建议,为激光刻蚀法制备超疏水表面未来的研究提供参考。

超疏水表面的制备与应用研究进展

近年来,受天然动植物的启发,越来越多的研究者设计和制备出了大量仿生超疏水表面。超疏水是指水滴接触角>150°,滚动角<10°的湿润状态。超疏水表面应用广泛,如耐腐蚀、防冰除冻、油水分离、自清洁性等性能,在很多领域有着较大的价值,国内外诸多学者开展了超疏水表面的制备及应用研究。高效的制备方法及持续的超疏水性能已成为该领域的研究热点和重要发展方向。在简要回顾超疏水理论模型之后,按照超疏水表面的制备方法以及应用等方面进行归纳分类并详细介绍其研究和应用现状,最后对其未来的发展趋势进行展望。