基于液滴自组装的疏水性多孔薄膜制备及其耐久性研究

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蜂窝状有序多孔薄膜凭其独特的微腔互连结构和优良的疏水性能在自清洁涂层领域具有广泛应用。基于液滴微流控芯片和蒸发诱导自组装技术来制备多孔薄膜具有高通量、低成本、工艺简单和可控性强等优点,为精确控制多孔薄膜表面形貌结构提供了一种有力手段。疏水性和耐久性是多孔薄膜面向实际应用的基本要求。目前,相关领域的大多数研究是通过呼吸图案法、微乳液滴模板法等来制备多孔薄膜,但这些方法制备出的薄膜孔径分散性较差,在成膜材料的选择上也有较大的局限性。因此,本文结合液滴微流控技术和蒸发诱导自组装的方法制备了一种蜂窝状有序多孔薄膜,并对其疏水性和耐久性进行了深入研究。基于壁面润湿特性、杨氏方程和两相流体界面不稳定性等基本理论,揭示了液滴生成和自组装过程的机理。结合仿真模型分析了共轴流法中两相流速等参数对液滴生成的影响规律,分析了蒸发诱导液滴自组装形成大规模网络排列的基本过程,为多孔薄膜制备实验提供了理论基础。随后进行了液滴生成实验,设计并加工了用于生成单乳液滴的毛细管微流控芯片,搭建实验系统完成了液滴的生成及富集工作,测定了两相流速比、连续相流体浓度等关键参数对液滴生成的影响规律。此外,基于3D打印技术,设计并加工了一款五通道芯片支架,实现了更大批量的液滴生成。以生成的单乳液滴为模板,进行了有序多孔薄膜制备实验,通过蒸发诱导自组装的方法完成了蜂窝状有序多孔薄膜的制备。确定了多孔薄膜表面形貌结构的表征及量化方法,结合液滴粒径和微腔单元粒径之间的关系,测定了外相溶液浓度、乳液浇铸量等关键参数对多孔薄膜表面形貌结构的影响规律,为改善其疏水性能提供了数据支撑。对制备得到多孔薄膜进行了疏水性及耐久性实验。通过化学交联的方法对蜂窝状有序多孔薄膜进行缩醛反应处理使其获得耐水性,通过对比实验测试薄膜表面的疏水性能,并搭建了接触角测量实验系统,探讨了连续相流速等关键参数对多孔薄膜表面水接触角的影响规律。搭建了机械耐久性实验系统,揭示了多孔薄膜表面结构的失效过程;验证了多孔薄膜具有化学稳定性,并通过浸泡法测定了多孔薄膜的耐酸耐碱性能。
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