微-纳米二元结构超疏水表面抑冰性能研究

摘要

超疏水表面具有极强的疏水性，在很多领域都有广泛的应用前景。目前，对超疏水表面的研究无论是在基础理论、制备方法、还是应用性能等方面都有了一定的进展。然而对超疏水表面抑冰性能的研究还不够多也不够系统，这是超疏水材料研究中需要进一步完善的一个领域。因此，本文在总结分析文献的基础上，研究了多种超疏水表面在滴水成冰和冷凝水成冰条件下的抑冰性，通过观察和分析超疏水表面的微结构特征、在常态和冷凝状态下的润湿性，并结合模型，分析和讨论了超疏水表面的抑冰机理，主要研究内容和创新点如下：　　(1)提出一种简单易行的新颖的制备方法在低密度聚乙烯（LDPE）基底上制备出了具有微-纳米二元结构的超疏水表面。该表面的接触角为155±2°，滚动角仅4°；研究了该超疏水LDPE表面的抑冰性能，结果发现该超疏水LDPE表面无论是在滴水成冰条件下还是在冷凝水成冰条件下都保持较好的抑冰性。　　(2)首次研究了长萼鸡眼草、再力花叶和夏堇花瓣这三种超疏水表面的抑冰性能，为进行比较，还研究了垂柳叶和美人蕉叶表面的抑冰性，结果表明：无论是在滴水成冰条件下还是在冷凝水成冰条件下，长萼鸡眼草、再力花叶的抑冰性能均优于夏堇花瓣、垂柳叶和美人蕉叶。通过对这五种植物叶表面微观结构以及在常态和冷凝条件下的润湿性进行仔细观察和分析并建立相应模型，解释了不同植物表面抑冰性能产生差异的原因，并得出结论如下：超疏水表面微米尺度结构的高度越矮、纳米尺度结构越丰富，则其在冷凝条件下超疏水性保持越好，抑冰性能也越好；而超疏水表面微米尺度结构的高度越高、微米结构上的纳米结构越少，则其在冷凝条件下疏水性越差，抑冰性能也越差。　　(3)采用模板法，通过两次复制，在LDPE基材上制得了与长萼鸡眼草、再力花叶、垂柳叶、美人蕉叶和夏堇花瓣这五种植物表面相似的结构，并对其表面结构和抑冰性能进行了表征和研究。实验结果表明，制得的类植物叶超疏水LDPE表面的抑冰性能优于普通LDPE表面，且具有较好的稳定性。

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第一章 绪 论

1.1自然界的超疏水表面

1.2超疏水的理论基础

1.2.1 Young氏方程

1.2.2 Wenzel与Cassie润湿模型

1.2.3 Wenzel与Cassie模型之间的关系

1.3超疏水表面的制备方法

1.3.1腐蚀法

1.3.2自组装法

1.3.3溶胶-凝胶法

1.3.4沉积法

1.3.5其它方法

1.4超疏水表面应用前景

1.5超疏水表面抑冰性能的研究进展

1.6 选题依据、研究内容及意义

第二章 超疏水低密度聚乙烯（LDPE）表面的制备及其抑冰性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验材料

2.2.2实验仪器

2.2.3实验步骤

2.2.4实验表征方法

2.3结果分析与讨论

2.3.1润湿性表征与分析

2.3.2表面结构表征与分析

2.3.3超疏水LDPE表面产生超疏水性的原因分析

2.3.4表面抑冰性能研究

2.4本章小结

第三章 具有不同微-纳米二元结构的超疏水植物表面的抑冰性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验材料

3.2.2实验仪器

3.2.3实验步骤

3.2.4实验表征方法

3.3结果分析与讨论

3.3.1五种超疏水植物表面形貌的表征与分析

3.3.2五种植物超疏水表面常态下润湿性研究

3.3.3五种超疏水植物表面冷凝条件下润湿性研究

3.3.4滴水成冰条件下五种超疏水植物表面抑冰性能研究

3.3.5冷凝水成冰条件下五种超疏水植物表面抑冰性能研究

3.3.6五种超疏水植物表面抑冰机理分析

3.4本章小结

第四章 类植物表面微-纳米二元结构在低密度聚乙烯（LDPE）基底上的制备及其抑冰性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1实验材料

4.2.2实验仪器

4.2.3实验步骤

4.2.4实验表征方法

4.3结果分析与讨论

4.3.1 PDMS模板表面形貌表征与分析

4.3.2类超疏水植物表面的LDPE表面形貌表征与分析

4.3.3类超疏水植物的LDPE表面的抑冰性能研究

4.4本章小结

第五章 结 论

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢