【摘 要】
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等离子体表面处理技术是一种极其有效的聚合物材料表面改性方法。通过等离子体刻蚀工艺和等离子体聚合工艺,可改变聚合物材料表面的纳米结构和化学成分,从而使表面获得超疏水、自清洁、抗粘附等性能,广泛应用于工业生产、生物医疗等领域。基于超疏水表面的超疏水特性,研究发现液滴撞击超疏水表面时会发生界面电荷分离,但对于具有不同纳米结构超疏水表面的液滴撞击电荷化现象研究相对较少,因此本文着重对织构化超疏水表面的液滴
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等离子体表面处理技术是一种极其有效的聚合物材料表面改性方法。通过等离子体刻蚀工艺和等离子体聚合工艺,可改变聚合物材料表面的纳米结构和化学成分,从而使表面获得超疏水、自清洁、抗粘附等性能,广泛应用于工业生产、生物医疗等领域。基于超疏水表面的超疏水特性,研究发现液滴撞击超疏水表面时会发生界面电荷分离,但对于具有不同纳米结构超疏水表面的液滴撞击电荷化现象研究相对较少,因此本文着重对织构化超疏水表面的液滴撞击电荷化行为进行研究。本文通过改变氧等离子体刻蚀时间和八氟环丁烷等离子体聚合时间,在聚丙烯等聚合物基底上制备出具有不同纳米织构的表面。利用扫描电子显微镜(SEM)、静电计、接触角测量仪等分析仪器,对等离子体织构化表面的形貌、固液接触电荷和接触电荷化表面的润湿性进行分析。最后通过在表面撞击不同数量液滴,利用电荷累积效应在表面设计出一条电荷量逐渐增大的通道,实现了液滴在表面的自发定向传输,并探究影响液滴运动速度的因素。研究结果表明,随着氧等离子体刻蚀时间从3 min增加到20 min,聚丙烯表面上纳米线长度增加,且刻蚀3 min表面纳米结构密度大于刻蚀20 min表面。当液滴以40 mm高度撞击不同尺寸纳米结构表面时,短纳米线表面投影电荷密度大于长纳米线表面,单个纳米线的电荷量小于长纳米线表面。而由于短纳米线表面纳米结构密度大于长纳米线表面,则实际固液接触面积增大,表面电荷密度增大。当八氟环丁烷等离子体沉积时间从1 min增加到20 min时,表面纳米线结构转变为纳米柱结构,纳米结构高度和间距减小,底部直径增大。液滴撞击不同纳米结构表面时,纳米柱结构表面投影电荷密度大于纳米线结构表面,单个纳米结构的电荷量变化不大。由于纳米柱的直径大于纳米线,使得实际固液接触面积增加,表面电荷密度增大。当等离子体处理时间不变时,改变基底材料的聚合物种类,由于不同聚合物自身晶区分布、缺陷、刻蚀难易程度等因素,使得在表面上制备出的纳米织构不同,PET和PMMA表面呈纳米簇结构,PTFE表面呈纳米锥结构。当液滴撞击不同材料表面时,表面投影电荷密度相差较小。此外,表面电荷会降低界面液体表面张力,增加固液接触面积,从而使表面接触角减小,滚动角增大。在认识了表面电荷产生及其影响规律的基础上,通过控制表面电荷实现了液滴在表面的自发定向传输。根据液滴在表面的运动速度可知,液滴在长纳米线表面的运动速度大于短纳米线表面,在纳米柱结构表面的运动速度小于纳米线结构表面,且液滴在长纳米线表面时的运动速度最大,达到91 mm/s。另外,当增大撞击液滴体积或增大液滴撞击高度时,撞击后表面电荷密度增大,液滴在表面的运动速度变快;当用Na Cl溶液液滴撞击表面时,由于Na+屏蔽了表面负电荷,表面电荷密度降低,液滴的运动速度变慢。
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