氧化锌、氧化镧结构化超疏水表面的制备及其电磁润湿特性

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接触角(Contact angle,CA)大于150°的极端润湿态超疏水固体表面,已在抗腐蚀、防雾、抗菌、防冻、自清洁、油水分离、液体透镜和微流控制等高科技领域和日常生活中展现出了巨大的潜在应用价值。且随着应用环境的不断拓展,其在各种极端环境下的高稳定性成了必然要求。然而,很多固态表面的润湿态却对外界环境的激励非常敏感,譬如pH值、温度、外加电场、磁场等。这显然会影响超疏水表面的稳定性,但另一方面,人们也从中得到巨大启示,逐渐发展出了更为丰富的响应性润湿研究,如介电润湿(Electrowetting-on-dielectric,EWOD),由于其智能化、响应灵敏、实时驱动、长期稳定性、可靠性高等优势获得广泛关注。其在进一步应用中还存在一些瓶颈问题,如电润湿物理机制模糊、接触角滞后明显、大的饱和接触角、自发可逆介电润湿实现困难等。众所周知,固体表面润湿性主要取决于固体表面微纳结构和表面化学组分。因此目前人们仍然是通过寻找新材料和制备新的表面微结构来不断改善固体表面润湿行为,增强超疏水表面稳定性,实现大角度可逆电润湿等。在结构化固体表面实现可逆电润湿,液滴的去湿过程需要克服一定的势垒。一方面通过表面修饰降低固体表面对液体的粘附性来降低该势垒,另一方面从外界提供附加能量来克服势垒。磁场调控作为远场非接触式操作,与电润湿一起形成电磁润湿,显然是为克服去湿势垒提供附加能量的一种理想方式。因此,基于以上考量,本文以“氧化锌、氧化镧结构化超疏水表面的制备及其电磁润湿特性”为题,从以下几个方面开展工作,并获得了一系列有价值的结果:(1)采用简单的水热法直接在锌衬底上生长氧化锌纳米锥阵列结构,保证了与衬底有牢固结合能。然后在每个纳米锥上涂硬脂酸(Stearic acid,STA),以赋予其自修复性,大大提高了其耐磨性和长期耐久性。它具有超疏水性,且水的CA为162°,并且对水的粘附力极低,具有出色的耐磨性及良好的抗水冲击性,在低于200℃的工作环境温度范围内,ZnO基础器件具有良好的热稳定性。更重要的是,它实现了在各种极端环境中对ZnO基础器件的多重保护。例如,在含有各种固体和液体污染物的环境中具有优异的自清洁功能,在强酸和强碱环境中具有良好的防腐性能以及在恶劣的冻结条件下具有优异的抗冻性。(2)采用一种简单直接的浸涂法制备了超疏水性Zn(OH)2@硬脂酸纳米片涂料,该方法采用溶胶制备工艺和浸渍涂层相结合的方法,得到了一种环保、无毒无机化合物Zn(OH)2。硬脂酸(STA)是一种典型的低表面能材料,直接加入前驱体溶液形成溶胶,然后在浸涂到基底后的溶剂蒸发过程中,从溶剂中析出的硬脂酸完全包裹每一个Zn(OH)2纳米片,从而在基底上形成紧密堆积的Zn(OH)2@硬脂酸纳米片涂层。该溶胶也可在各种刚性和柔性基材上获得超疏水表面,并且形成的涂层和基材之间显示出优异的机械稳定性。在极端自然条件(例如极冷、浑浊、酸性、碱性、高温和长期光照等)下,超疏水性涂层都具有良好的耐久性。在油水分离中,柔性织物表面的超疏水Zn(OH)2@硬脂酸纳米片涂层的分离效率高达99%左右,油的通量约为1515 L/(m2·h),可适用于各种极端环境下的油水分离。(3)采用水热法制备了具有超疏水性的ZnO纳米锥阵列表面。一方面,基于纳米锥尖端效应增强了水滴在纳米锥阵列表面上的水平力,这主要通过施加电压,增强锥形尖端附近的局部电场,进而提高了水滴的扩散能力,这已通过有限元理论模拟所证实。另一方面,通过调节纳米锥的密度和尖端曲率抑制了电场引起的Cassie-Wenzel跃迁,从而调节水滴在两个纳米锥之间的表面张力。样品EWOD响应的测量,发现其被分为低电压响应I和高电压响应II。仅在高压EWOD响应II中观察到了Cassie-Wenzel跃迁。显然,这项工作对于在结构化表面上实现大接触角自发可逆电润湿是非常有益的。(4)通过简单的水热法制备了La2O3薄膜,当水热温度低于180℃时,可以精确控制其结构从稀疏分散的致密微球体到紧密堆积的微球体膜。当水热温度高于180℃时,依次形成了稀疏分散的致密微球和花状微球,以及不连续立体花瓣的分级结构。当水热温度达到200℃时,形成了紧密堆积的微球和密集站立的纳米花瓣的分级结构。最终,由紧密堆积的微球和密集站立的纳米花瓣形成的分级结构是增强EWOD响应的优化结构。(5)通过简单的一步水热法成功地在Zn衬底上制备了一种具有超疏水性和低附着力的磁性ZnO@STA纳米棒阵列结构,它是一种垂直均匀的微纳米分级结构。基于霍尔效应,最终在该磁性纳米锥阵列表面实现了可逆电润湿和电磁驱动,且接触角的可逆调节范围可达30°。
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