【摘要】：近年來,受“荷葉效應”啟發(fā)而發(fā)展的超疏水材料因其獨特的結構和性能在自清潔、微流體系統(tǒng)和生物相容性等方面引起了學術界和工業(yè)界的廣泛興趣,研究人員從其結構的構思到制備方法都開展了積極的探索。但目前超疏水材料的表面粘附效應僅限于固-液兩態(tài),而超疏水材料之間的粘附性能,特別是如何實現(xiàn)超疏水材料與固態(tài)表面間的低粘附性卻鮮少有人研究,這限制了超疏水材料在智能應用中的實用性。本論文針對以上疑問提出討論,通過對表面結構和浸潤性的調控,制備了具有超低粘附性的超疏水聚合物薄膜,實現(xiàn)了對仿生超疏水表面性能的有效調控,同時制備了具有防塌陷效應的微流控芯片。主要的工作內(nèi)容如下:(1)結合貝克溶液腐蝕和表面修飾的方法在1060純鋁基底上制備了具有微/納米級復合結構的超疏水表面。該方法實驗步驟簡單,與昂貴的氟硅烷修飾劑相比,選用了硬脂酸溶液(STA)作為修飾劑,在保護環(huán)境的同時,極大地降低了成本。制備完成后可得到靜態(tài)接觸角為159°,滾動角為3°的超疏水表面。通過分析疏水性能隨腐蝕時間變化的原因,并考慮其相關實驗條件。得出最佳的實驗參數(shù)為:70℃的腐蝕溫度、50s的腐蝕時間。(2)結合模板法制備柔性超疏水硅膠薄膜。首先將經(jīng)過熱處理的純鋁片用貝克溶液腐蝕并作為模板,將脫模劑均勻地分散于鋁片上,然后將流動性極好的硅膠(PDMS,SYLGARD184)傾倒在模板表面,待加熱固化后,用小刀輕輕刮開邊緣,緩慢撕下即可。該制備工藝操作簡單,對儀器設備依賴少,在達到高精度拓印效果的同時,可實現(xiàn)大批量制備柔性超疏水硅膠薄膜的需求。(3)具有防塌陷效應的微流控芯片的性能測試。制備步驟包括:首先在有機玻璃PMMA上激光雕刻出微米尺度的通道和腔體,再利用軟光刻法復制出和模板相同結構的柔性基底,將(2)中制備的超疏水硅膠薄膜作為蓋板并采用等離子工藝對蓋板和基底進行活化,將二者相互貼合后即可實現(xiàn)直接鍵合。另外還測試了不同工藝參數(shù)下的樣品與普通硅膠(FSR)之間的表面粘附性以及微流控芯片的注液效果。
【圖文】：

器件、設備的創(chuàng)新思維與趨勢，向自然學習，已經(jīng)成為許多研究領域的指導思想。在自然界中，許多動植物都有特殊的表面性能,例如荷葉即使生長于污濁的泥濘之中，卻始終保持著潔凈的姿態(tài)和干燥的葉片。這就是廣為人知的“荷葉效應”，這種功能使得荷葉表面具有強大的自清潔性能[1]。除此之外，自然界中還有很多動植物也具有超浸潤現(xiàn)象。如圖 1.1 所示，不同于荷葉表面上的水滴呈各向同性滾動，水稻葉片[2]上的水滴在沿著葉片生長的方向很容易滾動，而在垂直的方向則較難滾動，這是因為水稻葉片表面排列著許多平行于葉片生長方向的乳突與溝槽，故而影響了水滴的運動。類似的還有蝴蝶的翅膀[3]，蝴蝶翅膀上生長著許多沿身體向外輻射的方形鱗屑，并呈條帶狀堆放。當翅膀向下傾斜時，，水滴輕易就能滾落，而逐漸向上傾斜時，水滴則緊緊固定在翅膀表面。這是由于結構導致的潤濕性差異。水黽可以在水面上穩(wěn)定站立并可以快速行走也是利用其腿部特殊的微米、納米相結合的結構效應來實現(xiàn)的。研究者還發(fā)現(xiàn)，水黽腿部的超疏水特性不但能讓其在水面上自由穿行，還能排開 300 倍于自身身體體積的水量，即使在狂風暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒，這為全新的水棲設備帶來了靈感。

1.1.2 超疏水材料基本理論浸潤性是材料表面的重要特征之一，表面可控浸潤性的研究無論在基礎是工業(yè)應用上都有重要意義。固體浸潤性通常用潤濕界面上水滴的接觸角(angle，簡稱 CA)來衡量。當固、液、氣三相達到平衡時，沿三相接觸線分別作界面和氣-液界面的切線，兩切線之間的夾角即為接觸角。通常來說，當固體接觸角 θ＜90°時被定義為親水表面，反之則稱為疏水表面。隨著研究不斷Vogler 等[8]提出 65°才是親疏水界面的實際分界線。按照此說法，疏水表面的圍就更加廣泛了，比如徐堅等[9]以親水的聚合物 PVA 為原料通過模板法制備水性陣列 PVA 纖維表面，其中水滴在 PVA 表面的接觸角僅為 72.5°，成功的利用傳統(tǒng)親水材料(65°＜CA＜90°)獲得超疏水表面。如圖 1.2 所示，在固、液、氣三相接觸的條件下，液-固兩相的接觸端點固相與氣相( )、固相與液相( )、液相與氣相( )之間的三個界面張力的作三個力互相平衡，合力為零。通常，我們按θ值的大小來定義材料的濕潤性。
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2628919