【摘要】：近年來(lái)水資源短缺已成為人類(lèi)面臨的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)缺水,自然界中諸多生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的發(fā)展,進(jìn)化出了水滴收集和輸運(yùn)的特殊能力。例如蜘蛛絲的紡錘結(jié)、仙人掌的尖端結(jié)構(gòu)和沙漠甲蟲(chóng)背部的梯度潤(rùn)濕圖案,能夠使水滴在潤(rùn)濕梯度和拉普拉斯(Laplace)壓力驅(qū)動(dòng)下定向輸運(yùn),大大提高了集水速率。幸運(yùn)的是人類(lèi)可以從大自然中獲取靈感,通過(guò)模仿這些生物的體表結(jié)構(gòu)特征來(lái)制備人工集水表面并實(shí)現(xiàn)水滴的定向輸運(yùn),這一表面也可以進(jìn)一步應(yīng)用于微流控芯片、自驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器和熱交換器等液體處理裝置中。然而為實(shí)現(xiàn)這一目的,傳統(tǒng)的材料和加工方法通常成本較高、加工工藝復(fù)雜、表面穩(wěn)定性較差,難以大規(guī)模生產(chǎn),限制其更廣泛的應(yīng)用。基于以上原因,我們耦合多種生物原型以聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane:PDMS)和二維石墨烯為原材料,結(jié)合簡(jiǎn)單的浸漬涂布法、激光刻蝕、機(jī)械切割和超聲處理,分別制備了一維仿生纖維絲、尖端梯度潤(rùn)濕表面、網(wǎng)狀梯度潤(rùn)濕表面、輻射狀梯度潤(rùn)濕表面以及Janus軟體驅(qū)動(dòng)器,并且深入研究了不同潤(rùn)濕表面的集水性能、潤(rùn)濕性調(diào)控機(jī)制、液滴定向輸運(yùn)行為以及Janus驅(qū)動(dòng)器的工作機(jī)理。主要結(jié)論如下:(1)受蜘蛛絲紡錘結(jié)的啟發(fā),我們結(jié)合PDMS和石墨烯(Graphene:G)通過(guò)簡(jiǎn)單的兩次浸漬涂布法制備了具有多級(jí)紡錘結(jié)結(jié)構(gòu)的一系列仿生纖維絲,通過(guò)調(diào)控表面潤(rùn)濕性實(shí)現(xiàn)液滴行為的控制。在特殊的紡錘結(jié)結(jié)構(gòu)上,水滴在Laplace壓力和潤(rùn)濕梯度作用下,由結(jié)點(diǎn)向紡錘結(jié)運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)紡錘結(jié)中間區(qū)域在激光刻蝕處理轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷畱B(tài)后,水滴在潤(rùn)濕梯度作用下向結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了水滴的逆向運(yùn)輸。研究結(jié)果表明,紡錘結(jié)尺寸和潤(rùn)濕梯度方向能夠有效地調(diào)節(jié)微小水滴的運(yùn)動(dòng),在水滴的聚集和輸運(yùn)過(guò)程中起著重要的協(xié)同作用。(2)受仙人掌倒刺結(jié)構(gòu)和沙漠甲蟲(chóng)背部非均勻潤(rùn)濕圖案的啟發(fā),我們結(jié)合PDMS和G通過(guò)激光刻蝕和機(jī)械切割設(shè)計(jì)了一種具有尖端結(jié)構(gòu)的仿生表面,使微小液滴可以在梯度潤(rùn)濕的驅(qū)動(dòng)下向親水區(qū)域運(yùn)動(dòng)。水滴在20~o尖端軌道上的運(yùn)動(dòng)速率最大,為2.42mm/s;此外,激光刻蝕制備的多孔石墨烯表面可通過(guò)調(diào)諧溫度產(chǎn)生明顯的潤(rùn)濕性變化。經(jīng)過(guò)高溫處理后的尖端表面集水速率最大,可達(dá)2.75 g/cm~2·h。(3)在前期的研究基礎(chǔ)上,受蜘蛛網(wǎng)和沙漠甲蟲(chóng)背部非均勻潤(rùn)濕圖案的啟發(fā),我們以銅網(wǎng)為基底制備了一種特殊的仿生混合潤(rùn)濕表面;銅網(wǎng)上沉積的PDMS/G膜在經(jīng)過(guò)激光刻蝕和超聲震蕩后,成功制備了包含有疏水區(qū)和超疏水區(qū)的混合潤(rùn)濕表面;在激光的作用下,由于PDMS/G膜的熱解和固化,銅網(wǎng)表現(xiàn)為超疏水性,超聲震蕩后,裸露的銅網(wǎng)呈現(xiàn)疏水性;因此,由于潤(rùn)濕梯度的作用,所制備的混合潤(rùn)濕表面可以快速驅(qū)動(dòng)微小水滴向更潤(rùn)濕的區(qū)域運(yùn)動(dòng),集水速率高達(dá)5.4 g/cm~2·h;此外,PDMS/G表面不僅具有較好的穩(wěn)定性,如優(yōu)異的抗腐蝕、抗紫外線(xiàn)暴露和抗油污染能力,而且磨損區(qū)域通過(guò)灼燒處理可以進(jìn)行修復(fù)。(4)以仙人掌的針狀刺和沙漠甲蟲(chóng)背部的濕潤(rùn)梯度圖案為靈感,結(jié)合激光刻蝕和機(jī)械切割,在不同濕潤(rùn)表面上設(shè)計(jì)了超疏水輻射圖案;在親水表面上輻射圖案驅(qū)動(dòng)微小液滴向更親水的尖端區(qū)域運(yùn)動(dòng),液滴呈現(xiàn)由圓心向邊緣運(yùn)動(dòng)的單向輸運(yùn)狀態(tài);研究表明,親水疏水區(qū)域的面積比為1:1的功能表面集水速率最大,約為3.075 g/cm~2·h;在超疏水表面上輻射圖案則促使水滴沿著尖端形狀運(yùn)動(dòng)到圓心,并將水滴儲(chǔ)存在圓心處;基于以上研究結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光刻蝕的PDMS膜具有Janus膜的特征能夠?qū)崿F(xiàn)油驅(qū)動(dòng)響應(yīng),通過(guò)機(jī)械切割設(shè)計(jì)了鋸齒狀、花瓣?duì)畹能涹w平臺(tái),成功制備不同結(jié)構(gòu)的油敏驅(qū)動(dòng)器,花瓣?duì)钴涹w驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)機(jī)械手時(shí)能夠轉(zhuǎn)移運(yùn)輸目標(biāo)物體;具有不同潤(rùn)濕性表面的Janus驅(qū)動(dòng)器表現(xiàn)出不同的溶脹行為,在不同的介質(zhì)中具有不同的表面張力,因而有望成為新型軟體驅(qū)動(dòng)器的候選材料,同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)油/水混合物和乙醇間驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換。
【圖文】：

第 1 章 緒論球狀，表現(xiàn)為疏水特性。而固體表面能的大小取決于其表面官能團(tuán)，包括疏水官能團(tuán)和親水官能團(tuán)。由此可見(jiàn)，，我們可以通過(guò)改變固體表面的化學(xué)組分實(shí)現(xiàn)表面潤(rùn)濕性的調(diào)控。Tan 等人[95]利用硬脂酸 (stearicacid,Sa) 功能化的 TiO2納米顆粒和全氟十八酸包裹水滴成功制備了一種光響應(yīng)液體彈珠，在沒(méi)有紫外光照射下該液體彈珠可以保持完整，但暴露于紫外光照射下幾分鐘后便會(huì)坍塌 （圖 1.1）。這是由于 TiO2具有良好的光響應(yīng)潤(rùn)濕性，紫外光照射下形成電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)會(huì)向金屬氧化物表面遷移[95]。表面電子與表面吸附的氧氣反應(yīng)形成超氧陰離子，而空穴可減少二氧化鈦晶格中的氧陰離子，釋放氧氣并產(chǎn)生氧空位，水分子被吸附到氧空位中，并在 TiO2表面解離形成羥基，從而增加親水性[96]。

(a)浸潤(rùn)態(tài)和(b)干燥態(tài)的PNIPAAm棉纖維的掃描電子顯微(Scanningelectronmicroscope:SEM)圖像；(c)在23oC和40oC下所得織物的WCA的可逆
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB306

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本文編號(hào)：2698547