二维微结构表面浸润性研究

• 作 者: 庞小龙
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 浸润性 接触角 球冠微结构 碗状微结构

浸润性是固体表面的一个重要特性，浸润现象不仅影响自然界中动植物的种种生命活动，而且对人类的生产生活也起着重要的作用。由于表面微结构对材料本身浸润性的影响较大，因此本文主要研究表面微结构对固体表面浸润性的影响。本文以具有球冠微结构的固体表面为研究模型，从本征亲水和本征疏水两个角度分析了表面微结构对固体表面浸润性的影响。对于本征亲水材料，基于吉布斯自由能最小化原理研究了具有球冠微结构材料上固液之间的接触状态，结果表明：液滴会与材料表面完全接触，并且当材料的本征接触角小于58°时，固液接触角将达到0°。由于固液接触角为0°与常理不吻合，进一步分析表明，若材料本征接触角小于74°，液滴将发生扩散，Wenzel方程不再适用，并给出了液滴在扩散条件下的固液之间接触角的解析表达式。对于本征疏水材料，本文从粗糙表面固液接触角的Wenzel状态和Cassie状态出发，研究了球冠微结构表面的浸润性与结构参数之间的关系。结果表明，Cassie状态下表观接触角随球冠直径与相邻球冠之间距离比的增大而增大，随相邻四个球冠构成的菱形单元内角的增大而增大，并以液滴的Cassie状态与Wenzel状态势能差越大越稳定为判据，给出了球冠微结构表面的稳定条件，即球冠直径与相邻球冠间的距离比为1，相邻四个球冠构成的菱形单元锐角内角为60°。本文最后还研究了与球冠微结构表面相对应的碗状微结构表面的浸润性，研究发现，在相同的结构参数下，对于提高本征弱疏水材料的疏水性而言，碗状微结构要优于球冠微结构。