智能超疏水聚合物薄膜制备及可控粘附性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:GYQ865739853
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近年来,受自然界特殊粘附现象的启发,科学家们制备了大量的智能粘附表面,智能刺激响应粘附效应赋予这些表面在物体抓捕及释放方面独特的优势,在航天、航海和医学等众多领域具有广泛的应用前景。然而,目前制备的智能粘附表面仍然存在一些不足,如粘附稳定性差、粘附响应性调控仅能单一适用于固体或液体等。针对这些问题,本论文以智能材料为基底,结合表面微阵列结构的构筑,设计并制备了一系列粘附性可控的超疏水表面,同时展示了其在水滴操控、固体抓捕运输等方面的应用。主要研究内容如下:通过模板法制备出超疏水形状记忆环氧树脂(SMP)微阵列薄膜,基于SMP的形状记忆性能,在超疏水SMP微阵列薄膜表面构筑图案化结构(点状及线形图案),实现了智能超疏水SMP微阵列图案化表面的制备。基于材料自身的形状记忆效应,通过在微阵列表面构筑及消除图案,成功实现了超疏水微阵列表面对水滴粘附性在高粘附与低粘附状态及各向同性粘附与各向异性粘附状态之间的可逆转换。理论分析和实验结果表明,表面微阵列的可逆形变直接改变了固/液接触状态,从而赋予了表面智能响应粘附特征。本文还进行了智能微阵列图案化表面在液滴储存、定向运输等方面的应用展示,所制备的智能微阵列图案化表面与传统的亲/疏水图案化表面相比,在功能稳定性及抗污染性方面具有显著的优势。在形状记忆环氧树脂薄膜基底粘接超疏水聚氨酯(PU)微阵列薄膜,制备出超疏水PU/SMP复合薄膜。基于SMP基底的形状记忆效应,该复合薄膜能够在弯曲状态与展开状态间可逆转换,实现了对表面微阵列结构分布形态的智能调控。随着表面微阵列分布形态的可逆变换,该表面与固体及水滴之间均展现出了智能响应性粘附特性,即表面与目标物体间的粘附性能够在高粘附状态与低粘附状态间进行可逆调控。理论分析和实验结果表明,高表面能有利于表面与固体目标间的粘附,而低表面能则适于控制表面与水滴间的粘附。当表面能介于36.5~52.1 m N·m-1之间时,结合微结构变形调节表面与目标物体间接触面积,赋予了表面独特的固体及液体智能粘附特性。结合电响应的巴基凝胶驱动器(BGA)和超疏水PU微阵列薄膜,制备了电响应超疏水PU/BGA复合薄膜。通过控制外加电场的大小和方向,实现了复合薄膜与固体及水滴之间粘附的可逆调控。基于所制备的复合薄膜,进一步设计并制备了智能抓捕手,实现了对水滴和固体的原位抓捕/释放。理论分析和实验结果表明,BGA的驱动作用引起的薄膜形变与表面超疏水微阵列的共同作用赋予了智能抓捕手独特的抓捕功能。智能抓捕手可实现对不同形状的固体、酸性液滴及碱性液滴等目标物体的原位抓捕及释放。
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