| 3D打印特殊润湿性表面及功能器件研究 | |
| 闫昌友 | |
| Thesis Advisor | 王晓龙 ; 卜伟锋 |
| 2020-08-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 3D打印 仿生 特殊润湿性 油水分离 连续液面界面成型 |
| Abstract | 对极端浸润行为的仿生特殊润湿性表面与界面研究具有重要的科学意义和实际应用价值。本论文首先综述了特殊润湿性表面及其构筑方法，包括刻蚀法、光刻法、沉积法、模板法等，然后针对制备仿生复杂结构润湿性表面要求，提出3D打印构筑表面微/纳米结构与表面润湿修饰相结合的思路和方法，并以此为基础实现功能润湿性器件的快速制备。本论文主要包括疏水/超亲油网格3D打印及油水分离器件的研究，超亲水网格3D打印及油水分离器件的研究，超亲水/水下超疏油网格3D打印及原位破乳的乳液分离器件的研究，以及含润滑油超滑低粘附多孔结构和快速3D打印的研究等几部分内容。主要研究内容和结论如下： 1. 利用化学气相沉积低表面能的十八烷基三氯硅烷（OTS）分子，结合光固化3D打印多孔聚合物网格，制备了具有优异疏水性的多孔网格结构。结果表明，修饰OTS后的网格呈现出近似超疏水的状态，水滴接触角为144.37 0.71。同时，油滴在网格的接触角接近于0，并且能够迅速透过网格，表明OTS修饰后的网格优异的疏水/超亲油性和选择透过性。利用OTS修饰后的网格分离多种油/水（十六烷/水，玉米油/水，汽油/水，以及矿物油/水）混合物，分离效率超过85％。通过对3D打印的网格孔径进行调控，可以调控分离速率。进一步地，利用3D打印构筑疏水/亲油的网格、网帽和桶一体化的撇油器件，实现对水面浮油的高效清除与收集。该3D打印撇油器具有优异的储油性能和在复杂环境下高的稳定性，显示出广泛的应用前景。 2. 通过在光固化树脂中引入含溴的原子转移自由基聚合引发剂，利用光固化3D打印方法制备了表面含引发剂的多孔网格结构，进而在3D打印的结构表面通过表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）接枝亲水性PSPMA聚合物刷，制备得到了亲水性的3D打印网格。结果表明，接枝PSPMA刷的亲水网格具有优异的透过水而阻隔油的选择透过性；同时由于PSPMA刷子形成水化层，亲水网格能够疏油和降低油的粘附。利用接枝PSPMA刷网格亲水/疏油的特性，实现对轻质油/水（矿物油/水、十六烷/水以及玉米油/水等）混合物的分离，分离效率超过90%。此外，通过3D打印制备亲水的镂空球网结构，并实现“水中直接捞水”，“油下取水”等复杂环境下水的操作，这表明利用3D打印制备特殊形状的功能润湿器件具有很高的可能性。 3.通过熔融沉积成型的方法制备了Fe/PLA复合的网格结构，在网格表面原位生长聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸）水凝胶层，得到了水凝胶包覆的多孔的3D打印网格。结果表明，包覆水凝胶的3D打印网格具有优异的超亲水/水下超疏油特性，其水下油（包括十二烷、柴油和植物油等）的接触角超过150°，滚动角接近10°。通过在水凝胶生长过程中引入无机盐AlCl3，获得Al3+离子增强破乳的水凝胶网，并在光学显微镜下观察界面破乳和分离过程。利用包覆水凝胶的3D打印网格超亲水的特性，分离多种油/水（十二烷/水、柴油/水、植物油/水和原油/水等）乳液，分离效率超过85%。最后通过3D打印制备特殊形状如勺子形网格的撇油器，实现捞取油而滤过水的浮油清理。 4. 基于猪笼草表面超滑和低粘附的特性，通过在倒T形多孔结构中填充全氟聚醚润滑油，制备了含油低粘附的超滑多孔结构表面（LISS）。结果表明，对比无结构平整的表面，倒T形凹结构阵列的初始储油率为5.5%，在其倾斜放置（30°）时储油更稳定。扫描电子显微镜照片显示倒T形孔结构中存在两头宽中间窄的微腔，有助于锁住储存的润滑油。LISS表面具有优异的疏液能力和低粘附性。由于LISS表面润滑油层与固体之间形成了液-固界面大大降低了摩擦力，因此即使当LISS表面的树脂固化以后仍能轻松地从表面滑走。为了利用超滑且低粘附的LISS表面降低光固化3D打印成形件离型时的界面粘附力，在研发的基于开源固件的DLP打印系统中进行研究。在连续提拉3D打印算法上，实现连续提拉3D打印成型，其打印速度为5000 μm/min，相比传统DLP打印提高了接近14倍。 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27344 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 闫昌友. 3D打印特殊润湿性表面及功能器件研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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