微纳双重结构表面的接触角模型及其润湿性研究.pdf

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1、2014年1月润滑与密封Jan．2014第39卷第1期LUBRICAT10NENGINEERINGVo1．39No．1DOI：10．3969／j．issn．0254—0150．2014．01．009微纳双重结构表面的接触角模型及其润湿性研究李小兵(南昌大学机电工程学院江西南昌330031)摘要：依据超疏水、自清洁荷叶表面具有的微米乳突和纳米鞭毛双重结构，设计类似荷叶表面的微／纳双重结构，建立对应的Wenzel、Cassie接触角模型，分析微纳双重结构及其结构参数对表面润湿性的影响。研究表明，对于单级微观结构，具有细

2、长(较大的柱高与柱边长比)微观结构的粗糙表面疏水效果更好；对于微纳双重结构，二级纳米结构的出现降低了实现超疏水性的柱高与柱边长比的阈值，微纳双重结构可以大大提高表面的疏水性能。关键词：微纳双重结构；荷叶表面；接触角模型；润湿性中图分类号：TB383文献标识码：A文章编号：0254—0150(2014)1—043—3ContactAngleModelandWettabilityontheSurfaceswithMicro／nanoBinaryStructuresLIXiaobing(SchoolofMechatron

3、icsEngineering，NanchangUniversity，NanchangJiangxi330031，China)Abstract：Basedonsuperhydrophobieandself-cleaninglotusleafsurfacewiththedualstructuresofmicromastoidandnanoflagellar，themicro／nanostructuressimilartolotusleafsurfacewasdesigned．Thecorrespondingcontac

4、tanglemodelswithWenzelandCassiemodelwereestablishedandtheinfluencesofthemicro--nanodualstructuresanditsstructurepa-rametersonsurfacewettabilitywereanalyzed．Theresultsshowthatforsinglemicrostructure，theroughSUrfacewithaslen-derstructure(thatiswiththelargerratio

5、ofcolumnsheightandcolumnsidelength)hasabetterhydrophobiceffect．Formicro—nanodualstructure，thethresholdratioofcolumnheightandcolumnlengthtoimplementsuperhydrophobicisre-ducedduetothesecondnanostructures．Therefore，themicro—nanodualstructurescangreatlyimprovetheh

6、ydrophobicpropertiesofroughsurface．Keywords：micro／nanostructures；lotusleafsurface；contactanglemodel；wettability荷叶表面是一种典型的具有超疏水、自清洁作用究了单级微观结构接触角模型以及结构参数对其润湿表面(“荷叶效应”)，利用“荷叶效应”，通过人工控性的影响，结果表明微观结构提高了表面疏水性能，制固体表面润湿性制备自清洁表面，在国防、工农业可以通过调节结构参数改变其疏水性能。生产和人们日常生活中有着重要的应

7、用前景，引起研究人员广泛关注⋯。随着对自然界中自清洁现象和润湿性可控表面的深入研究，制备无污染、自清洁表面的梦想成为现实。Barthlott和Neihuis通过对近300种植物叶表面研究，认为自清洁特征是由粗糙表面微米结构的乳突以及表面疏水的蜡状物质存在共同引起。Feng等通过对荷叶表面深入研究，发现荷叶表面富含低表面能的蜡，还密布微突起(如图1所示)，其直径为5～9Ixm，而且单个微突起表面还具有枝状纳米鞭毛结构，纳米结构平均直径为(124．3±3．2)nm。结果证明，低表面能蜡及微／纳双重结构使荷叶表面获得极高

8、的接触角和较小的滚动角。本文作者前期已研基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ13001)．收稿日期：2013—04—18(b)Nanostructure作者简介：李小兵(1979一)，男，博士，副教授，主要从事表图1荷叶表面微／纳双重结构面工程与摩擦学研究．E—mail：lixiaobing@ncu．edu．cn．Fig1Miero／nanostr