图案化基底上液滴的挥发行为

采用液滴形状分析仪, 在线跟踪了液滴在图案化基底上的挥发过程. 结果表明, 与平滑基底结果相比, 图案化基底上的挥发过程明显不同. 首先, 接触角减小; 另外, 由于发生了Cassie态到Wenzel态转变, 所得接触直径在减小过程中产生了一个突然变大的阶段. 在该挥发过程中, 突起部分的面积分数扮演了十分重要的角色.     

超疏水状态的润湿转变与稳定性测试

超疏水材料具有自清洁、防水、低粘附等特性,因此具有重要的应用价值.维持超疏水状态的稳定性,避免水侵入到材料表面微结构内部是实现这些特性的基础.本文在水下超疏水界面全反射的基础上,结合真空技术,提出了一种连续、直观的测试方法来测试超疏水状态的稳定性,并研究了Cassie-Wenzel润湿过渡行为及其临界压力.实验结果表明:对于典型的柱状微凸起结构,Cassie-Wenzel润湿转变过程可分为四个阶段:非润湿阶段、主要润湿阶段、强化润湿阶段和完全润湿阶段.主要润湿过程中的临界压力与理论值一致;强化润湿阶段需在较高的压力作用下进行,从而驱动固/液系统过渡到完全润湿阶段.与柱状结构相比,荷叶的乳突状微结构在润湿过程并不存在非润湿阶段,这是因为二者对外部压力的抵抗方式不同所致:柱状微结构通过增大柱子间悬挂液面的曲率来与外部压力建立平衡,而乳突状微结构则通过润湿过程中三相接触线密度的增加来强化毛细作用力,从而与外部压力建立平衡.     

阵列凹坑结构分布与水滴黏附性质的关系

以新鲜玫瑰花花瓣正面为模板, 采用模板印刷法制备具有微米级阵列凹坑和纳米级沟壑结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜, 通过对该薄膜逐级拉伸改变其微观结构的分布; 采用场发射扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察了不同拉伸程度下薄膜表面微观结构的变化, 采用高敏感性微电力学天平测试了样品表面微观结构变化过程中水滴的黏附力, 分析了其微观结构分布与水滴黏附性质的关系; 采用接触角测量仪表征不同拉伸条件下薄膜的浸润性. 结果表明, 随着PDMS薄膜被逐次拉伸, 单位面积内的凹坑结构数目减少, 且凹坑逐渐分离, 凹坑的深度逐渐降低, 水滴更容易浸入到凹坑结构中, 因此水滴与薄膜的黏附力急剧增大; 随着薄膜进一步拉伸, 纳米级沟壑结构会随着凹坑的拉伸而不断伸展, 纳米级沟壑结构的面积增加, 纳米沟壑结构诱捕的空气量逐渐上升, 导致水滴与薄膜表面的接触面积降低, 使得水滴与薄膜的黏附力下降; 继续拉伸PDMS薄膜, 纳米级沟壑结构进一步伸展, 水滴逐渐浸入纳米级沟壑结构中, 水滴与薄膜的黏附力缓慢增大, 当水滴完全进入到纳米级沟壑中时, 水滴与薄膜的黏附力达到极大值, 此时继续拉伸PDMS薄膜, 纳米级沟壑结构随着拉伸程度的增加继续伸展, 水滴与薄膜的接触面积稍有减少, 黏附力将有所下降, 直至薄膜被完全破坏. 由此可见, 微米级凹坑结构和纳米级褶皱结构的分布是影响PDMS薄膜对水滴黏附性质的主要因素.     

聚丙烯表面接枝PNIPAAm膜Ⅱ.表面特性和温度响应性研究

通过吸水率和接触角测定研究了聚N 异丙基丙烯酰胺 (PNIPAAm)接枝膜的温度敏感特性 .尽管非交联型接枝膜和交联型接枝膜的吸水特性没有显著差别 ,但是交联组分的引入确实在一定程度上延缓了接枝膜的失水趋势 ,同时也有利于接枝膜亲水性的提高 .对接枝膜进行接触角研究发现 ,在某临界温度以下 ,接触角随时间的变化表征了探测水滴与膜表面之间的相互作用过程 .为了消除接触角测定过程中水份蒸发造成的影响 ,建立了接触角修正算法和修正经验关系式 ,并发展了一种适合于温度敏感性接枝膜LCST测定的变温实时接触角测定方法 .提出了接枝膜与水滴相互作用过程分为两个阶段的模型 ,并得到交联型PP接枝膜表面性能发生明显变化的临界接枝率为 0 6mg cm2 左右     

纳米结构表面上冷凝液滴的生长模式及部分润湿液滴的形成机制

分析并计算了纳米结构表面上冷凝液滴按照不同途径长大的过程中液滴能量的增加速率, 并以能量增加最小为判据来确定液滴的生长途径. 结果表明, 纳米结构内形成的冷凝液斑在初期按接触角(CA)增加的模式生长时, 其能量增加速率远低于其它模式, 于是, 初始液斑先按增大接触角、并保持底面积不变的模式生长, 直至液滴达到前进角状态. 此后, 沿接触角增加的模式长大所导致的能量增加速率开始远高于其它生长模式, 于是液滴三相线开始移动, 底面积开始增加, 但接触角保持不变. 液滴所增加的底面积可以呈润湿或复合两种状态, 分别形成Wenzel 液滴及部分润湿液滴, 前者的表观接触角一般小于160°, 而后者则明显大于160°. 液滴的生长模式及其润湿状态均与纳米结构参数密切相关, 仅当纳米柱具有一定高度、且间距较小时, 冷凝液滴才能呈现部分润湿状态. 最后, 本模型对纳米结构表面上冷凝液滴润湿状态的计算结果与绝大部分实测结果相一致, 准确率达到91.9%, 明显高于已有公式的计算准确率.     

拉伸微模塑制备低密度聚乙烯超疏水表面

以新鲜荷叶为原始模板制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)软模板,并用该软模板在真空下热压得低密度聚乙烯(LDPE),冷却剥离得到LDPE超疏水薄膜.场发射扫描电镜(FE-SEM)显示其表面由细长乳突(长约30 μm)构成,接触角为154°±3.5°,水滴极易滚落,而常压下热压得到的薄膜表面乳突则短而粗(长约8～10μm),接触角仅137°±2.7°,短粗的乳突高度接近模板微坑的深度,证明细长乳突是在微模塑脱模时拉伸形成的.     

超疏水性聚二甲基硅氧烷膜的制备及其表面吸附性研究

采用简单的激光刻蚀方法制备了具有类“菜花”状多级结构的粗糙聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜, 并用CCD与高敏感性微电力学天平观察和测量PDMS表面对水的吸附情况. 结果表明, 该膜表面具有超疏水性, 同时对水滴具有超低的吸附力. 还对其表面特殊多级结构产生的机理进行了分析, 并探讨了在化学组成和表面结构对超疏水性以及吸附性产生的影响.     

蝴蝶翅膀表面水滴各向异性黏附性质

采用扫描电子显微镜(SEM)观察了双带闪蝶(Morpho Achilles)翅膀表面的微观形貌, 通过样品的表观接触角表征了其浸润性, 采用高敏感性微电力学天平比较了水滴在蝴蝶翅膀表面不同方向运动时受到的黏附力. 实验结果表明, 水滴沿着干燥的蝴蝶翅膀鳞片堆叠方向运动时受到的黏附力要明显小于其它方向运动时受到的力, 且受力较稳定; 当蝴蝶翅膀被水滴浸润后, 水滴沿着湿润的蝴蝶翅膀鳞片堆叠方向运动时受到的黏附力接近甚至大于逆着鳞片堆叠方向运动时受到的力.     

静电纺丝制备具有浸润性梯度的聚酰亚胺纳米纤维膜

采用高压静电纺丝技术, 在非对称异型电极上制备得到放射状聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜. 采用环境扫描电子显微镜(ESEM)观察了PI膜的微观形貌以及纳米纤维的排列状态; 采用接触角测量仪研究了水滴浸润性的变化; 采用高敏感性力学微电力学天平测量了水滴的黏附力, 分析了微观形貌变化与水滴浸润性质和黏附性质的关系. 结果表明, 该PI纳米纤维膜沿着非对称异型电极三角电极至弧型电极方向纤维排列由密到疏, 呈放射状, 具有独特的微结构梯度; 整个纤维膜上的PI纳米纤维直径均一且具有光滑均匀表面, 纤维与纤维之间的距离约为几微米到几十微米. 由于PI纳米纤维膜所具有的独特的微结构梯度, 致使沿着微结构梯度方向水滴的接触角(从超疏水到疏水)和黏附力(从低黏附到高黏附)均表现出梯度变化的特征.     

人造玫瑰花花瓣的微结构分布与水滴黏附性质的关系

本文采用模板印刷法制备得到了“人造玫瑰花花瓣”,即具有玫瑰花花瓣结构的PDMS薄膜,通过对该薄膜逐级拉伸改变微观结构的分布;采用环境扫描电镜（ESEM）观察了不同拉伸程度下薄膜表面微观结构的变化,采用高敏感性微电力学天平测试了样品表面微观结构变化过程中水滴的粘附力,分析了微观结构分布与水滴粘附性质的关系;采用接触角测量仪表征不同拉伸条件下薄膜的浸润性.实验结果表明随着PDMS薄膜被逐次拉伸,单位面积内玫瑰花花瓣乳突的数目减少,纳米褶皱面积不断增加,而纳米级褶皱结构尺寸随着拉伸基本上不发生变化,直到样品破坏;与微观结构变化相对应的,该表面对水滴的粘附力先增大后减小,直到该表面彻底破坏.由此可见,微米结构及纳米结构的分布是影响玫瑰花花瓣对水滴粘附的主要因素.     

基于水滴模板法的微纳复合超疏水结构制备的研究

利用粒子辅助水滴模板法的实施获得规则蜂窝状图案化多孔结构模板,并进一步利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制转移技术获得表面具有微米尺寸蜂窝状突起阵列的反向图案化结构.以这种图案化突起结构作为微米尺寸所提供的微米级粗糙度为基础,设计了2种的简单的二次纳米结构的引入过程,最终实现了微米级阵列和纳米级粗糙度的复合.第一种方法借助银镜反应来实现纳米银结构的化学沉积,最终在PDMS阵列表面获得了致密的纳米银颗粒沉积层,并成功获得了表面接触角达166度的超疏水性质.第二种方法利用了聚电解质/二氧化硅粒子层层静电自组装的方法引入纳米结构,结果在仅仅进行了2个组装循环的条件下即可获得超疏水性质的表面复合结构.通过简单的实验设计试图提供一种基于水滴模板法的微纳复合超疏水结构的普适性制备方法.     

高分子表面动态行为与接触角时间依赖性

利用躺滴法(sessile drop)动态连续跟踪测量模式研究聚合物水的接触角随时间变化. 结果表明各种聚合物的接触角都随时间迅速降低, 最后达到一恒定值即平衡接触角. 各聚合物都具有其特有的起始接触角和平衡接触角. 同时利用Wilhelmy片技术对相应聚合物的动态接触角进行研究. 并通过研究经表面氧化处理含聚丁二烯嵌段共聚物的起始接触角、平衡接触角、前进接触角与后退接触角的变化, 探索躺滴法测定接触角过程中时间依赖性的成因及起始接触角和平衡接触角的意义. 结果发现聚合物样品的前进接触角(θ_a)与起始接触角(θ_s), 后退接触角(θ_r)与平衡接触角(θ_e), Wilhelmy片法测得的接触角滞后值(θ_a-θ_r)与起始接触角和平衡接触角的差值 (θ_s-θ_e)之间都有较好的线性关系. 由此表明, 接触角的时间依赖性主要是由于水滴与聚合物接触后其表面发生重构引起. 起始接触角(θ_s)与平衡接触角(θ_e)则分别与聚合物表面疏水性组分和亲水性组分相关. 这一结果不仅证实了这二种接触角测定方法之间的相关性, 为接触角时间依赖性问题的理论解释提供实验证据, 而且也为高分子表面动态行为研究提供新的实验手段.     

双级微结构上二氧化硅粒子对微注压成型PP表面润湿特性的影响

提出一种柔性复制法,采用微注射压缩(μ-ICM)成型具有微拓扑结构的仿生聚丙烯(PP)表面.通过复制模板上的双级微结构,所成型的PP材料表面上呈现具有锥形顶面的双级微结构,即微棱和高纵横比的微锥体.由于微锥体之间的间隙较大,水滴浸润其间隙的上方,这使该表面呈现中等黏附的超疏水特性.在μ-ICM过程中,涂覆在模板上的二氧化硅纳米粒子(SNPs)被转移到熔体中,并牢牢附着于微结构表层,赋予其表面亚微米或微米粗糙度,形成多层次微结构.在附着有亲水SNPs的微结构上,高表面自由能使水滴完全浸润微锥体之间的间隙,表面的水接触角为161.9°、滚动角大于90°,呈现极高黏附的超疏水特性(花瓣效应);在附着有疏水SNPs的微结构上,水滴受疏水SNPs的排斥而减弱与表面之间的黏附作用,表面的水接触角为163.5°、滚动角为3.5°,呈现极低黏附的超疏水特性(荷叶效应).     

用含氟丙烯酸酯无规共聚物制备超疏水膜

用微乳液聚合法制备了丙烯酸全氟烷基乙酯和甲基丙烯酸甲酯的无规共聚物,并对其进行了表征.采用溶剂挥发成膜法一步制备了具有超疏水性的该聚合物膜,水滴在该聚合物膜上的静态接触角可达151°~160°,滚动角小于3°.通过扫描电子显微镜观察发现该聚合物膜表面分布了许多乳突状突起和微孔洞,并具有微米和纳米尺度相结合的复合杂化结构.该类超疏水表面的形成是由适度粗糙的表面和低表面能相互结合引起的.探讨了该类超疏水膜的形成机理.     

聚酰亚胺硅氧烷/聚酰亚胺两面异性复合膜的制备及性能研究

以氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 4,4'-二氨基二苯醚(4,4'-ODA)和3,4,3',4'-联苯四酸二酐(s-BPDA)为原料, 合成了聚酰胺酸硅氧烷嵌段共聚物. 将此嵌段共聚物和聚酰胺酸(s-BPDA/4,4'-ODA)共混, 通过控制制膜条件, 利用各组分在不同溶剂中的溶解度的差别, 使聚酰亚胺硅氧烷富集在膜的上表面. 因为两相在结构和性质上的相似性, 当聚酰胺酸硅氧烷和聚酰胺酸混合时, 具有很好的相容性, 消除了两相间的界面, 从而制备了优异的聚酰亚胺硅氧烷/聚酰亚胺两面异性的复合膜材料. 利用X射线光电子能谱(XPS)和水滴接触角对此复合膜进行了表征, 证明了此复合膜的两面异性, 并对此复合膜进行了热性能和机械性能研究, 发现此薄膜保持了聚酰亚胺优异的性能.     

PDMS-Au复合基底上多环芳烃分子的表面增强拉曼光谱

利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对有机物的富集功能,通过在金纳米粒子单层膜(Au MLF)表面旋涂薄层PDMS膜制备PDMS-Au MLF复合表面增强拉曼光谱(SERS)基底.研究了SERS增强性能与旋涂液浓度及稀释溶剂间的关系,考察了复合基底增强活性的均匀性.研究发现,采用叔丁醇为稀释溶剂,浓度为2%(质量分数)的旋涂液时所得复合基底表面多环芳烃(PAHs)的SERS信号强度最高,且此基底SERS信号强度偏差小于10%.分别以PDMS-Au MLF复合材料和Au MLF作为基底,对比研究了对萘、蒽、菲和芘4种多环芳烃的SERS检测能力.结果表明,PDMS-Au MLF复合基底对以上4种有机物的检出限分别为10~(-6),10~(-7),10~(-8)及10~(-7)mol/L,相比于单一Au MLF基底,其检测限至少降低了1个数量级,这主要源自于PDMS对PAHs的富集作用,且此类复合基底可用于多种多环芳烃混合物的特征识别.     

基于粒子辅助水滴模板法制备仿生复眼结构的研究

将微粒“皮克林乳化效应”(Pickering emulsions)和水滴模板法(breath figure method)有机结合,探索通过建立粒子辅助的水滴模板法,实现纳米粒子在蜂窝状多孔膜内壁的自组装复合,构建微纳复合的多级仿生结构.并进一步利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制转移技术,获得类似于复眼结构的多级微纳复合界面仿生结构.     

化学吸附自组装偶氮苯小分子单层膜及表面浸润性研究

通过化学吸附自组装的方法, 将小分子量的偶氮苯分子自组装到平滑硅基底表面, 其表面接触角为83.7°. 微结构化硅基底表面的偶氮苯单层膜上表现出超疏水的特性, 接触角达到了151.9°. 经过紫外光照射后, 该表面的接触角没有发生明显的降低.     

微接触印刷技术在ITO基底上快速转移Au纳米粒子图案

采用无氰化学镀金法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章表面镀金, 通过微接触印刷技术将PDMS印章上的Au 纳米粒子(AuNPs)分别转移到氧化铟锡(ITO)透明导电膜玻璃, 修饰了(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(MPTMS)的ITO基底(MPTMS/ITO)和表面电镀了铜膜的ITO(Cu/ITO)表面上, 同时形成有序的结构或者图案.通过场发射扫描电镜(FE-SEM), 原子力显微镜(AFM)和显微共聚焦激光拉曼光谱仪等对实验结果进行表征.结果表明, 该转移AuNPs的方法对基底表面特性并无特殊要求, 是一种简单、快速、无污染、低成本的AuNPs转移技术, 而且转移了AuNPs的ITO基底具有表面增强拉曼光谱(SERS)活性, 有望在SERS中有所应用.     

AFM研究PCL薄膜的结晶形态

利用原子力显微镜 (AFM)详细研究了聚己内酯 (PCL)超薄膜及其在特殊限制环境下的结晶形态 .AFM的观察表明 ,PCL在石英基板上的结晶形态呈现典型的球晶及比较少见的树枝状晶两种形态 .认为主要是超薄膜结晶过程中由于几何受限及基板吸附导致分子链扩散移动速度大大降低 ,由此形成的扩散控制结晶过程从而导致最终形成树枝状的分形结构 .将聚合物限制在间距为 10 μm的凹槽内 ,发现PCL的结晶有比较规整的排列 ,而且沿着凹槽的方向结晶排列取向优先 .当在凹槽两侧铝条上施加强电场后 ,发现在静电场作用下 ,PCL的结晶取向生长方向发生改变 ,沿着电场方向排列生长的结晶增多