基于形状记忆环氧树脂超疏水表面构筑及其润湿性调控

摘要

润湿性是固体表面的一个重要性质，其对人们生活中的多个方面都有着重要的影响。随着对超浸润表面研究的不断深入，智能可控润湿性表面由于其具有独特的响应特性而倍受关注。然而，目前对智能润湿性表面的调控大多是通过控制其表面化学组成来实现，对于影响表面润湿性的另一因素，微结构的调控仍极其罕见。事实上，微观结构对于表面润湿性的调控同样也很重要。自然界众多超疏水表面由于它们表面不同的微结构赋予了它们各自奇特的润湿性功能。因此，在本论文中，提出以环氧树脂形状记忆聚合物(SMP)为基底，在其表面构筑出微纳米结构，利用其形状记忆效应，实现对表面微结构及其润湿性的智能转换。具体研究工作有以下几点：
　　通过模板复制法在环氧SMP表面构筑了微米及微纳米等级结构，同时优化表面微结构尺寸，制备出了微结构具有良好形状记忆功能的超疏水表面。利用表面微结构的记忆效应，通过控制表面微结构形态，同一表面可记忆并展示多种不同的浸润特征，成功实现了通过控制表面微结构对润湿性的智能调控。最后，基于表面微结构形状记忆特征，通过将不同微结构形态进行组合，还实现了表面在可擦写微液滴存储芯片设计中的应用。
　　采用模板法制备环氧SMP阵列柱状结构，该表面展现出类荷叶表面的各向同性润湿性特征。在此阵列柱状结构表面制备新的沟槽结构，即实现了类水稻叶表面的制备，液滴在此表面上具有各向异性的滚动特征。利用表面微结构形状记忆特性，表面微结构形态可介于有/无沟槽结构间可逆转变，最终实现了对表面润湿性介于各向同性与各向异性间的智能调控。
　　通过电沉积结合热处理过程制备了多孔NiO模板，进一步复制NiO模板制备出分等级微纳米阵列结构环氧SMP表面，该结构显示出了超疏水低粘附性质。在外力挤压下，表面微结构发生坍塌从而显示出高粘附性。由于表面微结构的形状记忆特征，加热处理即可使表面微结构及粘附性能回复到其初始状态，最终实现了水滴在表面低粘附和高粘附之间的可逆转换。除了研究水滴与表面间的粘附，通过与等离子技术相结合，还将同样的策略引申到了水相中油滴与表面间粘附的可逆调控。研究结果表明表面粘附性能的差异都是由于不同表面微结构使得液滴分别处于低粘附的Cassie态与高粘附的Wenzel态。
　　基于微观结构的形状记忆效应制备出一种新型的可修复材料表面。通过与前面同样的方法制备出了微纳米等级结构的环氧SMP阵列。研究发现外力挤压及等离子处理均可使表面失去超疏水性，通过简单的加热过程，表面超疏水性能即可回复，展现了良好的智能特征。研究表明，表面微结构及化学组分的恢复分别得益于表面微结构的形状记忆特征及环氧 SMP表面分子动态结构重排效应。这一研究成果克服了目前超疏水表面微结构及化学组分难以同时修复的难点。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2固体表面润湿性的基本理论

1.3固体表面润湿性的调控研究

1.4形状记忆聚合物材料及其在超疏水表面中的应用

1.5本论文的主要研究内容和课题研究目的及意义

第2章 形状记忆超疏水材料的制备与研究方法

2.1实验材料和仪器

2.2形状记忆微纳米结构表面的制备

2.3环氧树脂SMP超疏水材料的表征

第3章 具有微纳米结构环氧SMP表面的制备及对其表面润湿性的调控研究

3.1环氧SMP的宏观形状记忆性能

3.2微观尺度环氧SMP表面的制备及形貌分析

3.3环氧SMP在微观尺度的形状记忆性能

3.4环氧SMP微阵列表面润湿性

3.5环氧SMP微阵列形状记忆性能及润湿性调控的机理分析

3.6环氧SMP微阵列用于可擦写微流体芯片的应用

3.7本章小结

第4章 仿生形状记忆可调节各向异性润湿表面的制备及其润湿性研究

4.1微米级各向异性超疏水表面的制备及润湿性

4.2微纳米级各向异性超疏水表面的制备及润湿性

4.3环氧SMP微结构形状记忆性能及各向异性润湿性机理分析

4.4本章小结

第5章 环氧SMP表面微观结构对固液界面粘附性质的调控研究

5.1微纳米结构环氧SMP超疏水表面的制备

5.2微纳米结构环氧SMP超疏水表面的可控粘附性

5.3微纳米结构环氧SMP表面对水下油粘附性的调控

5.4本章小结

第6章 具有微纳米结构的环氧SMP超疏水表面可修复性能研究

6.1微纳米等级结构环氧SMP超疏水表面微观结构可修复性能

6.2微纳米结构环氧SMP表面的化学组成可修复性能

6.3 环氧 SMP 超疏水表面对微观结构和表面化学组成同时修复行为

6.4环氧SMP表面超疏水润湿性可修复性能的机理分析

6.5本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历