超全疏型表面的构筑及其液体排斥机制研究

Surfaces with special wetting behaviours have attracted extensive research interests recently. However, current literature is mainly focusing on the surface repellency to liquids with high surface tensions, e.g. the self-cleaning effect of the ginkgo leaf. In our previous research, we have investigated the interrelations between the surface wettability and surface structures and mathematical models were proposed. In order to further validate the underlying wetting law, systematical wetting studies are on demand with regard to a wide range of liquids especially for those of low surface tensions. The proposed project will dedicate making coatings repelling virtually all contacting liquids by regulating surface hierarchy and chemical structures, which is different with the conventional concept of creating dual structures. The research will not only provide new routes in preparing novel non-wetting surfaces but also open up promising practical applications.

表面润湿性研究是纳米材料和工程应用的前沿热点。目前，对表面润湿性的认识还主要基于高表面张力液体的特殊润湿现象(如银杏叶的自清洁效应)。在前期研究中，结合自然界的特殊界面现象以及抗润湿表面的研究成果，我们探讨了表面的微观结构、化学性质与表面润湿性之间的理论关系。对这一规律的验证和完善，亟需引入物理化学性质各异的具有低表面张力的有机液体作为抗润湿性表面的研究对象。本课题设计以排斥表面张力10~100mN/m的所有常见有机无机溶剂、酸碱腐蚀性液体以及非牛顿型流体为研究目的，在已有的研究基础上，采用“微观结构分级法”和“表面化学分级法”，以期制备具有排斥几乎所有液体的超全疏型表面。本项目以涂层多级结构的精细调控为研究特色，不同于传统策略二元结构的构建，为突破材料的抗液极限提供新的研究思路。本项目旨在通过固液相互作用构效关系的研究，为制备具有工业化前景的超全疏型纳米涂层提供研究基础。

表面润湿性是材料重要的表面性质，影响化工过程中的物质和能量传递。特殊的表面润湿性，如超疏水表面、超疏油表面、超亲水表面、超亲油表面等，在表面自清洁、海洋防污、流体分离、防结冰以及水汽收集等方面具有重要的应用价值。其中，对大多数有机和无机液体表现出超强排斥性的表面（即液体接触角大于150度、滚动角小于5度的表面）被称为超全疏表面，代表人工自清洁表面中的极致，是化工材料表界面性能研究中的重点和难点。这是由于表面性质与材料化学结构和微观聚集结构等多重因素之间复杂的相互关系决定的，尤其是在表面结构的多重尺度方面还缺乏有效的构效关系理论。该资助项目从表面的多级化学结构和多级微观结构出发，以旋涂、浸涂、喷涂和气相沉积等方法构筑了一些列具有不同物理化学特性的表面，系统研究了表面润湿性与表面化学和微观形貌之间的构效关系，建立了多级结构表面的润湿方程（包括接触角方程、滚动角方程和稳定性方程），并以弹性织物为基材构建了具有拉伸响应特性的特殊润湿性表面，提供了一条表界面性质调控的多功能途径。超全疏表面的构建同时为化工材料表面流体的操控提供了有效的无损传递平台，为多液滴、多情形下液滴弹跳过程的研究提供了便利。系统研究表明，液滴在固体表面上的弹跳以及液滴之间碰撞弹跳等情形下，作用时间尺度是一致的，即仅与其大小、密度、界面张力等因素有关且可通过理论模型进行预测。因此，多情形下液滴的弹跳动力学研究也有效统一了液滴弹跳理论。虽然还存在稳定性等方面的问题，超全疏型表面的构筑及其液体排斥机制研究，能够为未来具有特殊润湿性质的表面以及膜材料的研究提供理论指导和技术支持，在化工材料、航空航天以及海洋化工等领域具有重要的应用价值。