硅橡胶超疏水涂层的撒粉法制备

当前在橡胶基体上构建超疏水表面的方法大多较为复杂,不易制备,研究一种简单方法是十分必要的。以高温硫化硅橡胶(HTV)为基体,把基体打磨后在其表面覆盖一层聚二甲基硅氧烷(PDMS),采用表面撒粉法将二氧化硅(SiO₂)粉末均匀撒在未固化PDMS上,固化后制得HTV/PDMS-SiO₂超疏水表面。采用扫描电子显微镜、三维形貌及接触角测量仪对硅橡胶超疏水涂层的微观形貌和疏水特性进行分析。结果表明：HTV/PDMS-SiO₂超疏水表面构建出许多微纳突起粗糙结构,表面粗糙度Sa达到35.695μm;HTV/PDMS-SiO₂超疏水表面的静态接触角平均值达154.5°,相较于原始硅橡胶平均静态接触角112.4°提升了37.5%;液滴体积一定时,液滴接触到超疏水表面后的铺展直径和第一次弹起高度随着滴落高度的增大而增大;液滴滴落高度一定时,液滴铺展直径和初次弹起高度与液滴体积成正比。利用PDMS固化过程结合撒粉工艺构建超疏水微纳结构,可为硅橡胶超疏水表面研究提供一种简单、低成本方案。     

修饰不同微结构对疏水性表面浸润性的影响

目的研究修饰微结构对疏水性材料表面浸润性的影响并指导制备超疏水表面。方法基于有限元软件建立了水滴在修饰不同微结构的疏水性表面的润湿模型,通过水滴表观接触角衡量分析了疏水材料表面修饰单一粗糙结构和复合粗糙结构对疏水性提升的效果,利用硅树脂掺杂微粒制备了不同粗糙度的疏水性涂层,涂层固化后测试其实际接触角大小,并与仿真结果对比。结果仿真结果显示,对水滴接触角为100°的表面修饰单一粗糙结构后,由于微结构形成的凹槽滞留空气,阻碍了水滴在表面铺展,使得水滴在表面的接触角增大至133°。在原微结构基础上修饰更小一级的微结构后,水滴在表面的接触角达168°,材料表面达到超疏水效果。实验中,随涂层表面粗糙度的提升,水滴在表面的接触角逐渐增大,掺混两种微粒的疏水涂层固化后,表面形成复合微观结构,水滴接触角达162°,与仿真结果拟合较好。结论在疏水性表面修饰微结构可显著提升其表面疏水性,修饰复合结构后可达到超疏水效果,此方法可用于实际工程制备超疏水表面。     

疏水/超疏水Ti合金表面液滴的运动特性

采用激光加工技术在Ti6Al4V合金表面构建点阵微结构,利用自组装分子膜技术在微结构表面沉积低表面能物质,制备疏水/超疏水表面。采用自制测试系统测试液滴在试样表面的静态接触角和滚动角,用高速摄像机拍摄液滴滴落到试样表面的运动过程。结果表明,经激光加工和低表面能修饰可构建Ti6Al4V疏水/超疏水表面,其最大接触角为151.4°,表面静态接触角随点阵间隔的增大而减小;液滴静态接触角与液滴滴落高度相关,同一表面上的液滴静态接触角由最后一次滴落高度决定。液滴滴落到水平试样表面的铺展系数由试样表面粗糙度和静态接触角决定,表面粗糙度和静态接触角越大,液滴铺展系数越小。当滴落高度从0 mm增大到20 mm时,铺展系数的增大幅度约为50%。     

微纳结构对硅基超疏水表面冷凝特性的影响

目的 研究微米结构中心距对微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率的影响。方法 首先采用湿法腐蚀在硅表面构建中心距分别为22、24、26、28、30 μm的微米四棱台结构,然后采用溶胶-凝胶法在表面涂覆疏水的纳米二氧化硅颗粒,获得微纳二级结构超疏水表面。通过表面接触角测量仪分析表面的湿润性,通过扫描电镜观察表面的微观形貌特征,使用光学显微镜观察冷凝小液滴自迁移现象,使用电子天平称量表面的冷凝集水质量。结果 当纳米结构相同时,随着微米结构中心距的增加,液滴静态接触角减小,冷凝小液滴的自迁移频率变慢,相同时间段内,平均集水效率下降。当相对湿度大于90%时,会出现表面“淹没”现象。微纳二级结构超疏水硅表面（微米结构间距22 μm）的集水效率是单独微米结构硅表面的1.38倍、单独纳米结构疏水表面的1.27倍、疏水硅光片表面的1.75倍、光二氧化硅亲水表面的3.6倍。结论 当纳米结构相同时,在一定范围内适当减小微米结构的中心距,有助于增强微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率。     

影响硅橡胶涂层疏水性的因素

目的寻找影响硅橡胶涂层疏水性的因素,并找到相应的提升改进方法。方法以液体硅橡胶为基体,通过燃烧橡胶条熏附、添加纳米SiO2粉末混合和喷洒纳米SiO2粉末附着这三种不同方式,来制备超疏水表面涂层。通过改变纳米粉末的加入方式、加入质量,研究疏水性的最佳条件。并通过光学显微镜测量静态接触角评价表面疏水性能,寻找影响其疏水性的因素。结果最佳的方法为熏烧的烟尘附于液体硅橡胶涂层表面,大多数试验样本出现超疏水特性,静态接触角最高可达159°,平均值150°,静态接触角提高40°以上;次之为均匀喷洒纳米SiO2粉末,部分试验样本出现超疏水特性,静态接触角最高为145°,平均值135.5°,静态接触角提高30°~40°;简单搅拌混合的提升效果最差,没有试验样本出现超疏水特性,静态接触角最高可达124°,平均值108.5°,静态接触角只提高5°~15°。结论构建超疏水涂层的关键在于能否成功构建出微纳米的二级微观结构,简单的物理混合、搅拌会使纳米粉末被覆盖掉,无法表现出其特性。涂层的疏水能力与接触周围的实际微观长度有关。     

模芯钴含量对仿荷叶PDMS制件表面疏水性的影响

目的在采用电铸镍钴合金提高模芯硬度的基础上,研究模芯钴含量对仿荷叶PDMS制件表面质量与疏水性的影响,探明镍钴合金模芯用于模板法制备仿荷叶超疏水表面的可行性。方法采用电铸-聚二甲基硅氧烷(PDMS)二次复制模板法先后制备荷叶母模、镍钴合金电铸模芯与仿荷叶疏水表面PDMS制件。采用数字式显微硬度仪、超景深三维显微镜、Image-Pro Plus图像处理软件、激光共聚焦显微镜等分析模芯钴含量对模芯硬度与PDMS制件表面微结构、粗糙度及疏水性的影响。最后采用接触角测量仪进一步测量与分析PDMS制件表面的疏水性能。结果当镍钴合金模芯钴含量(质量分数计)达到22.4%以上时,模芯硬度较纯镍模芯由244.1HV提升至450HV以上。当模芯钴含量从0增加到51.5%时,仿荷叶PDMS制件表面微结构深宽比先从2.12减小至1.72,再增加至2.38;微结构面积占比从19.15%减小至15.03%;表面粗糙度Ra值从59.01μm增加至74.93μm;静态接触角从166.22°线性减小至149°左右,疏水性降低。结论相比微结构深宽比与面积占比,表面粗糙度对PDMS制件疏水性的影响占主导作用。镍钴合金模芯硬度显著提高的同时,随钴含量的增大,仿荷叶PDMS制件的静态接触角从166.22°减小至149°左右,但仍具有良好的疏水性。     

加工参数对AZ91D镁合金表面超疏水性能的影响

通过优化加工参数,在镁合金表面获得优良的超疏水性能。用激光刻蚀法获得微米结构,结合纳米涂覆技术制备微/纳米复合结构,再结合低表面能物质,制得超疏水表面。系统研究了加工参数对超疏水性能的影响。通过接触角和滚动角测试,评价镁合金表面的超疏水性,并通过扫描电子显微镜对复合结构表面形貌进行分析。采用涂覆法在激光加工后的基体上成功获得了超疏水改性层。加工参数对AZ91D镁合金超疏水性具有重要的影响。当采用点阵形貌,点阵间距50μm,加工电流为15 A,纳米分散液浓度15 g/L时,AZ91D超疏水表面的静态接触角达到最大值161.1°,滑动角为2.109°,超疏水性能达到最佳。     

高速微铣削构建疏水性铝合金表面

以蝉翅表面疏水结构为仿生对象,利用高速精密微铣削机床在铝合金表面构建柱状微阵列结构,对构建的柱状微阵列结构的微观结构、疏水性能和表面粗糙度进行观测,并对其疏水机理进行分析。结果表明:在本征接触角约为51°的光滑铝合金表面上加工微米级柱状微阵列结构可有效提高材料表面的疏水性能,未经化学修饰的表面接触角最高可达115°,实现了基于高速精密微铣削技术在金属材料表面上构建微观结构阵列,使材料表面润湿性由亲水向疏水的转变。     

微纳超疏水钛合金表面的制备及其性能研究

目的 制备超疏水自清洁的Ti6Al4V合金表面。方法 首先使用飞秒激光在Ti6Al4V合金表面预制备微米级结构,然后将预制备的样品置于1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中,在超声水浴状态下进行电化学去合金,获得微纳米复合结构。经表面改性后,得到微纳超疏水钛合金表面。结果 经复合制备的微纳超疏水表面结构由微米级的梯形凸柱阵列,以及通过电化学去合金形成的三维纳米孔洞骨架和沉积的微米或亚微米金属氧化物组成。经过表面改性后,该微纳复合结构表面呈现优异的超疏水性,其接触角可达162.5°,滚动角低至3.4°。自清洁性能测试结果表明,该微纳超疏水钛合金表面展现出优异的低黏附性和自清洁性,1滴水对表面的清洁效率达到99.8%。激光加工参数与静态水接触角之间的关系表明,接触角与扫描间距呈负相关,与能量密度、重复次数呈正相关。结论 飞秒激光结合电化学去合金方法制备的具有微纳结构的钛合金表面呈现出优异的超疏水自清洁性能,通过改变激光加工参数能够有效增大表面的静态水接触角,为后续研究提供了一定参考。     

基于磁流变弹性体膜的可控疏水表面制备与表征

针对目前超疏水表面制备工艺复杂、成本高等问题,采用工艺简单的磁场调控方法,基于磁致链化效应,将磁性颗粒-聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜前驱体在外加匀强磁场作用下固化,得到具有微纳粗糙结构的可控疏水性磁流变弹性体膜(MREF)。利用扫描电子显微镜(SEM)和接触角测量仪对其表面形貌和润湿性进行表征分析。结果表明,制备的磁流变弹性体膜具有随机分布的微米级山状突起结构,通过控制制备磁场强度可以改变表面粗糙度特征,水滴接触角从110°提高到158.2°,呈现超疏水特性。进一步研究表明,通过控制磁性颗粒粒径尺度、磁性颗粒质量分数、薄膜厚度等因素,可以构建不同表面特征的磁流变弹性体膜,进而实现对表面疏水性的调控。     

硅橡胶在积污过程中的润湿行为

利用静态接触角法、接触角滞后和HC喷水分级法对自然积污过程中的硅橡胶进行了表面润湿性研究,用粗糙度仪和扫描电镜对样片进行表征分析,研究发现:随着硅橡胶不断的积污,表面粗糙度越大,静态接触角随之也增大,接触角滞后变小,滞后由小到大的顺序是:S3(中污)S4(板结)S1(清洁)S2(轻污)。另外,积污后的硅橡胶表面的润湿特点跟润湿方式有关,如当静态水珠润湿其表面时,表现很好的憎水性,接触角可高达130°以上,当以强烈水流冲击其表面润湿时,表现憎水性较差,憎水分级多数为HC5-HC6。     

材料表面润湿性的影响因素及预测模型

目的预测不同材料表面和液体之间的润湿性能。方法选取9种不同板材以及14种实验液体,采用60—1200目砂纸打磨所有平板,得到具有不同粗糙度和表面能的实验材料。利用控制变量法,分别研究了液体表面张力、固体粗糙度和固体表面能对接触角的影响。然后进行了三因素十水平的均匀设计实验,并应用SPSS软件对实验结果进行了线性分析。结果在不同液体的作用下,随着表面张力的增加,接触角不断增大,其中蒸馏水的表面张力最大,为70.13 m N/m,其在三种材料中的接触角也最大。在具有相同粗糙度的材料表面,随着表面能的增加,接触角减小,固体表面能最大(67.72 m J/m2)时,接触角达到最小值,为25.1°。在具有相同表面能的材料表面,随着粗糙度的增加,接触角呈现两种相反的趋势:当θ90°时,随着粗糙度的增加,接触角不断增大;θ90°时,随着粗糙度的增加,接触角不断减小。通过均匀设计得到了接触角的预测模型,发现液体表面张力对接触角影响的权重最大,固体表面能次之,粗糙度最小。结论通过SPSS软件拟合得到了真实材料表面接触角与其影响因素的定量关系式,针对现场管材和液体的选型进行了理论指导,从而有效降低了输送过程中的阻力损失。     

不锈钢基板表面粗糙度对水膜吸附夹持的影响

目的从水膜吸附的功能研究出发,对不锈钢基板表面进行不同粗糙度处理,并测量不同基板对蓝宝石晶片的吸附力以及切向摩擦力的影响,从而得出粗糙度对水膜吸附效果的影响规律。方法通过砂纸打磨、研磨、抛光等方法,得到不同平均粗糙度(Sa=633.4、332.6、116.2、64.5、41.4nm)的不锈钢基板。利用接触角计对液滴在基板表面形成的静态接触角进行拍摄,得出不同粗糙度不锈钢表面的润湿性能。开发设计高精度的多维力测量平台,测量蓝宝石晶片在不同粗糙度不锈钢基板上润湿后的吸附力和切向摩擦力,并与未润湿的基板得到的测量结果进行对比研究,得出粗糙度对吸附力和摩擦系数的影响规律。结果5种粗糙度的不锈钢基板的静态接触角均小于90°,属于亲水性材料。水膜吸附条件下,吸附力大小随粗糙度的增加而减小;接触角大小随粗糙度的增加而增大,且吸附力的减小率和接触角的增大率趋势相似;摩擦系数随粗糙度的增大而增大。基板表面粗糙度较大时,水膜提供一定的粘滞力,使水膜吸附条件下比无水膜时的切向摩擦力更大;当粗糙度较小时,水膜更多的是润滑作用,此时比无水膜时的切向摩擦力要小得多。结论基板表面粗糙度较小时,基板能提供较大的吸附力,而摩擦力不如无水膜时的大;基板粗糙度较大时,吸附力相对较弱,但是摩擦力比无水膜的更大。在选择不锈钢基板作为水膜吸附夹持基板时,在保证足够吸附力的条件下,可以适当提高基板的表面粗糙度,抵抗晶片抛光过程中受到抛光垫的摩擦力。     

聚磁盘形状对磁粒研磨加工管件内表面的影响

目的提高磁粒研磨法加工管件内表面的质量及加工效率,探究磁粒研磨法中不同形状的聚磁盘对管件内表面的影响。方法利用Maxwell软件对轴向开槽聚磁盘与不开槽聚磁盘进行磁场强度模拟和磁感应线模拟,分析不同形状的聚磁盘的磁感应强度变化和磁场强度分布。利用磁粒研磨法对工件内表面进行研磨加工,对研磨之后的工件表面粗糙度进行测量,并对微观形貌进行观察。结果在磁粒研磨工具转速为500 r/min、加工时长为15 min的条件下,聚磁盘为未开槽时,表面粗糙度由原始的0.509μm降至0.127μm,表面粗糙度改善率(%ΔRa)为75.04%;当聚磁盘为轴向开槽时,工件表面粗糙度由原始的0.553μm降至0.097μm,工件的表面粗糙度改善率(%ΔRa)为82.45%。结论在相同的加工条件下,当聚磁盘轴向开槽时,相对于轴向不开槽的聚磁盘,磁粒研磨管件内表面的研磨效果更好,表面粗糙度改善率和研磨效率更高。     

机构运动形式对圆柱面表面形貌影响的实验研究

目的在自行研制的双平面方式圆柱外圆加工设备上,分析不同运动形式对圆柱面表面形貌的影响,以提高其工作性能,延长其工作寿命。方法在上研磨盘、下研磨盘、偏心轮和外齿圈的转速大小恒定的条件下,对不同的运动形式进行研究,观察加工前后圆柱面的宏观形貌和微观形貌,并进行比较。结果当上研磨盘、下研磨盘、偏心轮和外齿圈同时转动时,加工后的圆柱面宏观形貌没有明显的划痕和加工纹路,表面形貌最好,表面粗糙度为0.124μm;当偏心轮和外齿圈转动,其他不转动时,加工后的圆柱面存在最明显的条纹状加工纹路和划痕,表面形貌最差,表面粗糙度为0.171μm。结论在运动形式和转速组合的设计时,应使加工轨迹均匀分布,尽量增加圆柱面圆周方向的材料去除,减少圆柱面轴线方向的材料去除,选择合理的比例有助于改善圆柱面的表面质量。     

静压力对超声滚压表层特性的影响

目的研究不同静压力对试样表面形貌、粗糙度、晶粒细化程度、随表层深度变化的显微硬度和残余应力的影响。方法运用超声滚压加工技术,采用HEU-Ⅱ系列的超声滚压设备和卧式车床对AISI304不锈钢进行处理,改变静压力,其余参数不变。利用综合扫描电子显微镜、触针式粗糙度仪、金相显微镜、显微硬度仪和X射线衍射分析仪等进行检测分析。结果静压力在300~800 N时能获取较好表面质量,超过800 N后会对表面产生损伤,出现细纹。通过XRD分析,静压力越大,晶粒细化程度越高,X衍射峰的宽化程度也越小。试样表层硬化层深度和硬度随静压力增大而增加,600 N时的硬化层比200 N时增加150μm,硬度增加35%,残余应力在表面表现为压应力,随着静压力增加而增加。当静压力增大到600 N时,最大残余应力由表面转移至材料内部。结论静压力参数在一定的范围内会产生很好的加工效果,超过一定的范围则会带来不良影响,这为运用超声滚压技术加工精密工件奠定了理论基础。