超疏水表面自清洁效应的表面力学分析

【摘要】：荷叶出淤泥而不染,水黾能在水面自由运动,这些自然现象都跟超疏水有关。超疏水表面近年来引起了广泛的关注。 研究表明,二元微纳结构的存在是表面实现超疏水的根本原因。超疏水表面特殊的浸润性,使其在很多方面有广泛的应用,包括自清洁、防腐蚀、油水分离等方面。研究发现,粗糙的表面结构和较低的表面自由能是制备超疏水表面的必要条件。在此基础上人们发展了很多制备超疏水表面的方法,例如,刻蚀法、溶胶-凝胶法等。截止目前,超疏水表面实现自清洁的过程,包括颗粒与液滴相互作用的力学分析,自清洁的实现与颗粒质量的关系,还没有相关的研究。 本文首先对超疏水表面和普通表面的黏附力进行了测量,其次对微颗粒与液滴的相互作用进行了力学分析,找出了超疏水表面实现自清洁的原因,讨论了自清洁的实现与颗粒质量的关系,最后运用力学分析结果对颗粒在超疏水表面实现自清洁的临界半径进行了理论计算,并在新鲜荷叶表面进行了验证。我们发现理论计算和实验验证能够较好的符合。 通过实验及计算,我们得到了以下几点结论： 1.利用AFM胶体探针技术,测量了Si02微球在超疏水表面和普通表面的黏附力。发现超疏水表面的黏附力远小于普通亲水和疏水表面； 2.揭示了超疏水表面实现自清洁的力学机理； 3.基于上述力学机理,发现了超疏水表面实现自清洁与颗粒的质量的关系,不同质量的颗粒实现自清洁的方式不同； 4.对自清洁临界颗粒半径进行了理论预测和实验验证,发现理论与实验结果能很好的吻合。 【关键词】：超疏水表面 自清洁 黏附力 力分析 AFM
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB306
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-28
• 1.1 引言11-12
• 1.2 自然界中的超疏水现象12-16
• 1.3 理论模型16-20
• 1.3.1 YOUNG方程16-17
• 1.3.2 WENZEL模型17
• 1.3.3 CASSIE-BAXTER模型17-19
• 1.3.4 接触角滞后和滚动角19-20
• 1.4 超疏水现象的应用20-23
• 1.4.1 液体运输20-21
• 1.4.2 油水分离21
• 1.4.3 防雾21-22
• 1.4.4 生物医学22-23
• 1.5 人工制备超疏水表面23-26
• 1.5.1 刻蚀法23-24
• 1.5.2 溶胶-凝胶法24-25
• 1.5.3 电纺法25-26
• 1.6 课题研究的目的意义和研究内容26-28
• 1.6.1 课题研究的目的意义26-27
• 1.6.2 课题的研究内容27-28
• 第2章 样品制备及相关参数的测量28-34
• 2.1 样品制备28-30
• 2.1.1 亲水表面28
• 2.1.2 疏水表面28
• 2.1.3 超疏水表面28-30
• 2.2 接触角的测量30
• 2.3 黏附力的测量30-33
• 2.3.1 概念简介30
• 2.3.2 原子力显微镜简介30-32
• 2.3.3 胶体探针简介及制备32-33
• 2.3.4 表面黏附力的测量33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 超疏水表面实现自清洁的力学机理34-48
• 3.1 液-气界面力34-36
• 3.2 液滴与颗粒相互作用受力分析36-44
• 3.2.1 亲水表面颗粒与液滴作用的受力分析37-38
• 3.2.2 疏水表面颗粒与液滴作用的受力分析38-44
• 3.3 超疏水表面自清洁形式与颗粒大小的关系44-47
• 3.3.1 较小颗粒44-45
• 3.3.2 较大颗粒45-46
• 3.3.3 大到一定程度的颗粒46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 力学机理的理论预测和实验验证48-55
• 4.1 理论预测48-51
• 4.2 实验验证51-52
• 4.3 误差分析52-53
• 4.4 本章小结53-55
• 结论55-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-65
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文65

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