CN102020237A - 一种新型超疏油表面结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种超疏油表面微纳结构设计方法，涉及微纳结构功能表面设计制备技术领域。根据超疏油表面的工作所需承受的压强及气体之间的压强差(液汽界面压强差)计算出液汽界面的曲面半径；再根据该曲面半径确定出微结构的最大周期；接着根据超疏油的要求确定出结构的突起比率；最后根据超疏油表面的结构形式和设计的结构参数(周期和突起比率)考证油液与结构表面的接触状态，确保油液处于Cassie接触状态。本发明通过几何分析的方法对特殊的微结构形式和参数进行分析以实现表面的超疏油性能，实现超疏油表面的直接可控设计。

Description

一种新型超疏油表面结构设计方法

技术领域

本发明涉及微纳结构功能表面设计制备技术领域，特指一种设计新结构以实现表面超疏油性能的表面结构设计方法，其适用于防油黏附和输油管道或其他油性流体滑移减阻领域中使用的超疏水表面的微结构的设计分析。

背景技术

近十年来，超疏水表面的研究得到了足够的关注。由于生物界大量存在自然的超疏水表面，研究人员对这些自然的超疏水表面进行仿生制造，实现了大量表面的超疏水性能。到目前为止，研究人员已经具备制备较为稳定的超疏水表面的能力，如中科院江雷课题组通过电纺加工和自组织生长法制备了超疏水表面。在此基础上，大量的超疏水表面和超疏水处理技术被逐渐引入到工业应用领域。然而，在工业界，使用的液体种类繁多，仅仅具有超疏水性能的超疏水表面难以杜绝这些液体尤其是表面张力较低的液体的附着，难以实现真正的完全的自洁性能。

多年以来，学术界一直沿用Wenzel在1936年提出的Wenzel理论和Cassie和Baxer在1944年提出的Cassie超疏水机理和理论。根据Wenzel理论，液体与粗糙表面接触是密切接触，即在接触区域内仅有固液界面接触，据此，液滴在粗糙表面上的表观接触角公式可表示为：

cosθ_w＝rcosθ                (1)

其中θ_w是粗糙表面上液滴形成的接触角，r是微结构表面的粗糙度，是表面总面积与表面水平投影面积之比，其取值大于1，θ是形成微结构表面的材料的本征接触角。而Cassie理论认为，液体在微结构表面上仅与突起的部分接触，在凹槽的部分与气体接触，液体在这种接触模式下的接触公式为：

cosθ_C＝f(cosθ+1)-1          (2)

其中θ_C表示液滴在微结构表面上处于Cassie接触状态的接触角，f表示液固有效接触面积与表水平投影面积之比。值得注意的是，这两种理论并没有对所使用的液体进行限制，超疏水仅仅是其中的一种特例。这些理论在指导超疏水表面设计制造方面取得了成功，但由于自然界没有超疏油表面的存在，它们指导超疏油表面设计制造方面的潜力还没有得到人们的重视，需要进一步的发掘。

随着超疏水理论的成熟，研究人员逐渐将注意力转移到超疏油表面的设计制备上来。最近，Ahuja等和Tuteja等分别运用化学方法和物理方法制备了超疏油表面，经接触角测量仪的测量，发现液滴在表面上的接触角达140°，这相对于一般表面上的油液接触角(30°～80°)来说提高的幅度很大。虽然他们所采用的液体表面张力还较大，但这在一定程度上已经说明了制备超疏油表面的可行性。除以上两个文献外，还没有更多关于超疏油表面的报道，这与工业中大量油液的使用现实并不相符，因此，很有必要对超疏油表面开展设计和制备研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种超疏油表面微纳结构设计方法，实现微结构表面对广泛液体尤其是表面张力较低的液体的超疏性能。

本发明按下述技术方案实现：

一种超疏油表面微纳结构设计方法，是：根据超疏油表面的工作所需承受的压强及气体之间的压强差(液汽界面压强差)计算出液汽界面的曲面半径；再根据该曲面半径确定出微结构的最大周期；接着根据超疏油的要求确定出结构的突起比率；最后根据超疏油表面的结构形式和设计的结构参数(周期和突起比率)考证油液与结构表面的接触状态，确保油液处于Cassie接触状态。

上述方法中，超疏油表面上的微结构的侧视观察为伞状微结构阵列形式(参见附图1)和倒“山”型微结构阵列形式(参见附图2)；每个微结构的俯视观察表现为多边形、圆形以及非规则形状结构形式。

上述方法中，超疏油表面上油液的压强由其工作条件决定，由压强差计算微结构内液面的曲面半径r所采用的公式是拉普拉斯公式：r＝2γ/(P-P₀)，其中P为液体内部压强，P₀为气体压强，γ为油液表面张力。

上述方法中，微结构的最大周期与微结构内液面曲面半径的关系为：

其中L_max为结构最大周期。

上述方法中，超疏油表面的突起比率通过Cassie公式和给定的超疏油表面所需的油液接触角计算：f＝(cosθ_C+1)/(cosθ+1)，其中f为突起比率，θ_C为所需设计的表面的超疏油接触角，θ为油液液滴在光滑表面上的本征接触角。

上述方法中，考证油液与表面的接触状态是否发生转换通过考察液汽界面与微结构壁之间的形成的角度β与油液在光滑表面上的前进接触角的关系来完成。对于图1的结构形式，选取小于最大结构周期L_max的结构周期L，β通过几何关系求得：β＝arcsin(L(1-ξ)/γ)-α，其中ξ为液汽界面的水平投影长度与周期的水平投影长度之比，有α为微结构下表面与水平表面所形成的角度，如图1所示。对于图2的结构形式，β＝arcsin(L(1-ξ)/γ)-90°。油液在表面上的前进接触角与本征接触角相当，近似采用本征接触角处理，若β＞θ，则液体在微结构表面上处于Wenzel状态，反之则处于Cassie状态。

本发明具有如下技术优势：

拓宽了微结构表面的应用范围，本发明针对超疏油性能来对表面进行设计，将表面的超疏性能拓展到表面张力较低的液体应用中；

设计过程直观易懂，容易实现，本发明通过几何分析的方法对特殊的微结构形式和参数进行分析以实现表面的超疏油性能，实现超疏油表面的直接可控设计。

附图说明

图1伞形结构表面与油液接触

图2T型结构表面与油液接触

1.油液，2.空气，3.固体微结构

实施方式

下面结合图1和图2通过具体实施例进一步说明本发明的实质特点和显著进步，但本发明绝非仅仅限于所述的实施例。

实施例1(方柱形式结构，截面结构为图1的结构形式，环境条件和参数为：P-P₀＝1kPa，θ＝50°，γ＝0.02N/m，θ_C＝140°，α＝30°)：

根据拉普拉斯公式计算液体1在固体微结构3内部液面的曲面半径，曲面半径为：r＝2γ/(P-P₀)＝2×0.02/1000＝40μm。再根据该曲面半径计算出固体微结构3的最大周期，微结构的最大周期为L_max＝113μm。同时，根据Cassie计算公式计算出结构的突起比率。f＝(cosθ_C+1)/(cosθ+1)＝0.1424， $\mathrm{\ξ}=\sqrt{f}=0.3774.$

选用结构周期为L＝1μm的固体微结构3，计算液体1和空气2构成的界面与固体微结构3的竖直壁之间的形成的角度β，β＝arcsin(L(1-ξ)/γ)-α＝-29.1081°，远远小于油液在光滑表面上的本征接触角，油液在微结构表面上处于Cassie接触状态。

因此，采用所设计的结构参数能实现油液在表面上的大接触角(接触角达140°)。

实施例2(方柱形式结构，截面结构为图2的结构形式，环境条件和参数为：P-P₀＝10kPa，θ＝50°，γ＝0.02N/m，θ_C＝140°)：

根据拉普拉斯公式计算液体1在固体微结构3内部的液面的曲面半径，曲面半径为：r＝2γ/(P-P₀)＝2×0.02/1000＝4μm。再根据该曲面半径计算出结构的最大周期，结构的最大周期为L_max＝11.3μm。同时，根据Cassie计算公式计算出结构的突起比率。f＝(cosθ_C+1)/(cosθ+1)＝0.1424， $\mathrm{\ξ}=\sqrt{f}=0.3774.$

选用结构周期为L＝1μm的微结构，计算液体1与空气2形成的界面与固体微结构3的壁之间的形成的角度β，β＝arcsin(L(1-ξ)/γ)-90°＝-81.0455°，远远小于油液在光滑表面上的本征接触角，油液在微结构表面上处于Cassie接触状态。

因此，采用所设计的结构参数能实现油液在表面上的大接触角(接触角达140°)。

采用其他结构形式的表面设计方法与方柱结构形式相似，其中只是f与ξ之间的关系有差别，但根据其几何定义很容易计算出来，其定义为单元内部液固接触界面占单元面积的比率，一般可采用保守的公式计算：

Claims (6)

1.一种超疏油表面微纳结构设计方法，其特征在于，该方法按如下步骤进行：根据超疏油表面的工作所需承受的压强及气体之间的压强差计算出液汽界面的曲面半径；再根据该曲面半径确定出微结构的最大周期；接着根据超疏油的要求确定出结构的突起比率；最后根据超疏油表面的微结构形式和设计的周期和突起比率考证油液与结构表面的接触状态，确保油液处于Cassie接触状态。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：确定的表面微结构的结构形式为：侧视观察为伞状微结构阵列形式或倒“山”型微结构阵列形式；俯视观察为多边形、圆形或非规则形状结构形式。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：计算液面曲面半径的计算公式为：r＝2γ/(P-P₀)，其中r为液面的曲面半径，P为液体内部压强，P₀为气体压强，γ为油液表面张力。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：实现表面微结构最大周期的计算公式为：其中L_max为结构最大周期。

5.根据权利要求1和2和3所述的设计方法，其特征在于：实现表面微结构突起比率的计算公式为：f＝(cosθ_C+1)/(cosθ+1)，其中f为突起比率，θ_C为所需设计的表面的超疏油接触角，θ为油液液滴在光滑表面上的本征接触角。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：验证液体与微结构表面的接触状态通过以下判定条件实现公式为：若β＞θ，则液体在微结构表面上处于Wenzel状态，反之则处于Cassie状态，其中β为液面与微结构邻接表面之间的角度，计算公式为：对于伞状微结构阵列，β＝arcsin(L(1-ξ)/r)-α，其中ξ为液汽界面的水平投影长度与周期的水平投影长度之比，有

α为微结构下表面与水平表面所形成的角度，L为所设计的比最大周期小的结构周期；对于倒“山”型微结构阵列，β＝arcsin(L(1-ξ)/r)-90°。

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