微结构疏水表面的润湿性影响因素研究

摘要

润湿性是固体表面的一个重要特性，表面的润湿性影响了很多的物理化学过程，它对人类的生产生活起着重要的作用。疏水表面由于具有自清洁、抗磨等优良性能，可广泛应用于建筑、生物医药等领域。近些年来，受到“荷叶效应”的启发，科研人员一直致力于获得疏水性更好的表面。本文主要通过理论分析作为研究基础，结合仿真模拟和实验方法研究了具有微结构疏水表面润湿性的影响因素，主要完成的工作及所得结论如下： （1）研究微方柱固体表面上液滴的润湿情况，基于复合和非复合润湿状态下物理模型的几何条件和力平衡原理，建立了微方柱结构的几何参数（边长、间距、高度）与表面平衡表观接触角的数学关系式。并根据热力学原理，建立了微方柱结构的几何参数、表观接触角与润湿系统相对自由能的方程。分析了复合润湿状态和非复合润湿状态下的本征接触角、几何参数对表观接触角的影响，并根据微方柱几何参数的变化讨论了疏水表面两种润湿状态的转变。结果表明：复合润湿状态下的表观接触角取决于微方柱的间距以及边长和材料自身的本征接触角，非复合状态的表观接触角还与微方柱的高度有关。在复合润湿状态下，增大本征接触角和微方柱间距或者减小微方柱边长，均可提高表面的平衡表观接触角，增强表面的疏水性能。在非复合润湿状态下，增大微方柱高度也可使表观接触角增大。由热力学方程可得，存在临界高度和临界边长，使得非复合状态和复合状态的相对表面自由能相等。当微柱高度小于临界高度或微柱边长大于临界边长时，非复合态的相对自由能比复合态小，系统处于非复合态较为稳定。当微柱高度大于临界高度或微柱边长小于临界边长时，非复合态的相对自由能比复合态大，系统处于复合态较为稳定。 （2）采用数值模拟方法，利用COMSOL Multiphysics中的相场方法对液滴在微方柱表面的润湿过程进行两相流模拟。分别讨论了表面的本征接触角、微方柱的横径比、深径比以及液滴的初始速度对于表面润湿性以及动态过程的作用。其中，模拟所得表观接触角的数值与第二章中相关理论的分析结果基本吻合。动态润湿性模拟部分指出了复合润湿状态和非复合润湿状态的转变临界条件：存在临界横径比和临界深径比使得液滴在微方柱表面可以维持复合润湿状态。当微方柱的高度为35μm时，临界横径比为1；当微方柱的间距为50μm，临界深径比为0.7。在液滴撞击表面的过程中，更大的横径比意味着更大的铺展、回缩速率以及更大的最大铺展直径，但更大的深径比对应的是更小的铺展和回缩速率以及更小的最大铺展直径。不同的初速度会影响液滴在表面的动态铺展过程，对于高度较低的微方柱表面，较大的速度会导致液滴浸润，液滴在表面由复合润湿转换为非复合润湿状态。对于高度较高的微方柱表面，浸润速度大于回弹速度，液滴在固体表面易发生回弹。结合第二章、第三章的结论得出，当固体材料的本征接触角为120°、液滴体积为1μL时，较为理想的微柱间距、边长、高度组合为50μm、50μm、50μm。 （3）利用电喷技术制备出不同直径、不同形貌的聚苯乙烯（PS）纤维表面以及不同密度的PS微球表面。分析了纤维的直径、形貌以及微球的密度对PS膜润湿性能的影响。实验结果表明：当电纺产物为光滑纤维时，随着纤维平均直径的增大，静态接触角减小。在电纺产物为带串珠的纤维时，随着聚合物溶液质量分数的增大，串珠的数量减少，串珠的形状趋于纤维的扁平状，粗糙度降低，静态接触角随之减少。当聚苯乙烯溶液的质量分数小于5%时，电纺产物为微球，纤维上微球密度的增加，表面粗糙度随之增大，表面的静态接触角逐渐增加。制备的PS膜局部微结构可类比为第二章中的微方柱结构，随着PS膜的特征尺寸即微方柱结构尺寸的减小，微结构之间包裹的空气增多，疏水性增强。

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