液滴饼状弹跳超疏水柱状阵列结构尺寸研究

摘要

超疏水表面具有较大接触角和较小滚动角，液滴撞击其上会产生弹跳现象，与普通表面相比可有效减少液固接触时间，在自清洁、抗结冰结霜、耐腐蚀、液滴定向运输领域颇受关注。近几年研究发现，具有特殊结构的超疏水表面可进一步减少液固接触时间，尤其当液滴撞击超疏水柱状阵列上时会出现饼状弹跳现象，弹跳时间明显减少，在防冻雨抗结冰等方面意义重大。但现有可实现液滴饼状弹跳的超疏水柱状阵列直径≤100μm且高径比＞10，难以被大面积加工。为实现液滴饼状弹跳表面的大面积加工，本文详细研究了柱状阵列尺寸对液滴弹跳的影响规律，并优化结构尺寸，提出采用模板复制技术大面积加工超疏水柱状阵列。最后在上述基础上提出一种可逆调控液滴弹跳状态和液固接触时间的新方法。
　　对不同尺寸的超疏水柱状阵列上的液滴弹跳进行研究，得到体积为17.9μL的液滴饼状弹跳柱状阵列大面积加工较优尺寸为：柱直径1.05 mm、柱间距0.25 mm、柱高度0.6~1.0 mm。体积为17.9μL的液滴以0.767 m/s的速度撞击表面可产生饼状弹跳，弹跳时间为8.625 ms左右，为平整超疏水表面上弹跳时间的40%。为使更大的液滴也可在其上产生饼状弹跳，选择柱高度为1.0 mm进行大面积加工，并参照上述柱直径、柱间距尺寸分别通过真空浇注法和热压法以PDMS和PP材料为基体加工了接触角约为164°的超疏水柱状阵列，为后续实现液滴饼状弹跳柱状阵列的大规模加工提供理论和技术支持。
　　基于超疏水柱状阵列的液滴弹跳实验结果表明，液滴弹跳由柱直径、柱间距、柱高度、液滴体积以及撞击速度共同决定，其中最小柱间距对弹跳时间影响较大。采用浇注法以形状记忆聚合物为基体加工了柱直径0.40 mm、柱高度1.0 mm的柱状阵列。利用形状记忆聚合物的热变形及热恢复特性，通过改变柱状阵列的倾角间接改变最小柱间距值从而实现了对液滴的弹跳状态、弹跳方向及弹跳时间的控制。此外，对比分析了有行倾角的柱状阵列与竖直状态的柱状阵列上的液滴弹跳关系，得到超疏水柱状阵列行倾角与液滴弹跳时间的拟合曲线，与实际值基本吻合，证明了最小柱间距对液滴弹跳的影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 超疏水表面的液滴饼状弹跳的定义

1.2 超疏水表面的液滴饼状弹跳研究意义

1.3 超疏水表面的液滴弹跳研究现状

1.4 超疏水表面的制备方法研究现状

1.5 存在问题与本文的研究思路

2 超疏水表面的液滴弹跳相关理论基础

2.1 固体表面润湿性理论模型

2.2 平整超疏水表面的液滴弹跳模型

2.3 超疏水柱状阵列的液滴饼状弹跳模型

2.4 聚合物柱状阵列加工方法

2.5 本章小结

3 液滴饼状弹跳表面结构尺寸优化研究

3.1 超疏水柱状阵列制备

3.2 超疏水柱状阵列尺寸对液滴弹跳的影响

3.3 本章小结

4 液滴饼状弹跳表面的大面积加工方法研究

4.1 PDMS基体的液滴饼状弹跳表面的大面积加工方法研究

4.2 PP基体的液滴饼状弹跳表面的大面积加工方法研究

4.3 本章小结

5 液滴弹跳的可控性研究

5.1 形状记忆聚合物基体的超疏水柱状阵列制备

5.2 形状记忆聚合物基体的超疏水柱状阵列的液滴弹跳控制研究

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢