微注压成型超疏水表面的微纳结构设计及其液滴撞击性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:douzixia
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自然界生物表面存在的精细微纳结构使得表面具有特殊的润湿行为和光学行为。如今,以生物表面为模板,制备具有仿生物表面结构的复制品在表面结构的精确复制和低成本高效率的制备等方面依旧不够理想。微注塑压缩成型(μ-ICM)是同时综合微注塑成型高效和微热压印成型高精度优点的技术,在制备具有微纳结构产品上的重要性日趋显现,成为快速、批量制备表面具有精细微纳仿生结构的理想选择。本文从探究超疏水低黏附特性生物表面(荷叶上下表面、蝉翼表面)的液滴撞击稳定性出发,通过μ-ICM技术对荷叶上表面的结构进行复制,获得与荷叶上表面相近的稳健动态液滴撞击性能的表面。进一步地,通过μ-ICM技术制备具有毫纳跨级结构超疏水表面。探究三种具有优异超疏水低黏附生物表面(荷叶上下表面、蝉翼表面)的液滴撞击稳定性。荷叶上表面和蝉翼表面在动态压力为2940 Pa下依旧维持稳健的超疏水状态。通过理论计算,荷叶上表面的微纳双级结构能比蝉翼表面的纳米结构多承受一个数量级的动态压力。通过单因素试验设计,研究模具温度、熔体温度、模具压缩力和模具压缩速度对成型的具有微纳双级结构的聚丙烯(PP)样品表面液滴接触角(CA)的影响。结果显示,模具温度、熔体温度和模具压缩力对CA的影响特别显著;模具压缩速度对CA有影响,但不显著。在此基础上,通过响应曲面法研究模具温度、熔体温度和模具压缩力对样品表面液滴CA的影响。结果表明,模具温度对CA影响最大,模具压缩力、熔体温度的影响依次降低;模具温度和模具压缩力两因素间交互作用显著;模具温度和熔体温度两因素、熔体温度和模具压缩力两因素有一定的交互作用。以新鲜荷叶为模板,通过化学镀结合电镀的方法将其上表面的微纳双级结构精确复制到镍模板上。镍模板可以被重复使用至少70次,表现出良好的可重复使用性。通过μ-ICM技术,成型具有类荷叶上表面微纳双级结构的PP样品,其纳米丝状物具有高长径比及尖锐末端。样品具有与荷叶上表面相似的超疏水低黏附(CA=~157°,滚动角小于5°)、自清洁特性,并可应用于液滴转移和减反射。样品具有优异的动态超疏水稳定性,可以在动态压力1960 Pa下保持Cassie-Baxter状态。以两种纳米孔深度不同的阳极氧化铝(AAO)作为模板,通过μ-ICM技术制备表面具有类蝉翼纳米柱结构的超疏水低黏附PP样品。样品表现出良好的液滴撞击稳定性。在此基础上,通过组合AAO模板和不锈钢开槽板,制备表面具有毫纳米跨级结构的PP样品。在韦伯数为108的液滴撞击测试中,液滴与毫纳米跨级结构表面比纳米结构表面的接触时间缩短54.5%。
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