仿生表面液固界面摩擦力的动态调控

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210285

摘要/Abstract

摘要：

仿生超疏水材料在自清洁、防雾抗冰、油水分离、集水等领域有着重要应用；而在不同疏水状态之间的转换将大大促进仿生超疏水材料在智能技术领域的应用。利用软印刷技术将玫瑰花表面微观结构转印到聚氨酯弹性体PU膜表面，利用机械应力实现表面微结构的动态实时调控，实现了表面微观结构在各向同性与各向异性之间的可逆转换；利用毛细管投影传感技术（MPCP）定量表征了水滴在仿生PU膜表面的摩擦力，详细讨论了PU膜在不同拉伸状态下拉伸量、拉伸方向以及液滴体积和移动速度对液固界面摩擦力的影响。结果表明，仿玫瑰花PU膜的静态接触角和滚动角均非常接近新鲜玫瑰花，保留了玫瑰花的超疏水、高黏附和各向同性的性质。样品拉伸后，表面微结构沿着拉伸方向（D_S）和垂直方向（D_V）表现为各向异性，但接触角和滚动角在两个方向无明显区别。但液滴在D_S和D_V方向的摩擦力大小不同，且对水滴体积具有不同的依赖性，呈现明显的各向异性。随着样品延伸率的增大，水滴在PU膜表面的静摩擦力（F_S）和动摩擦力（F_K）明显增大，而增强的幅度同样对方向具有一定的依赖性。沿着D_S方向，只有当液滴的移动速度高于1.55 mm/s时，摩擦阻力随着移动速度的增加而减小；而在D_V方向，摩擦阻力随着移动速度的增加而减小。本文利用机械应力实现了高黏附超疏水表面液固界面摩擦力在各向同性和各向异性两个状态之间的转变以及液固界面摩擦的调控，为智能润湿性表面的设计、表征和应用提供了新思路。

关键词: 表面润湿性, 接触角, 滚动角, 摩擦力, 毛细管投影传感技术, 仿生材料

Abstract:

Bioinspired superhydrophobic materials have important applications in the fields， like self-cleaning， anti-fogging， anti-icing， water-oil separation and water collection. The shifting between different hydrophobic states will greatly promote the application in the emerging smart technologies. Here， polyurethane （PU） films with microstructures identical to the rose petal surface were prepared by soft-lithography. The surface microstructure can be dynamically regulated by mechanical stress， which reversibly shifts the surface microstructure between isotropic and anisotropic states. Monitoring the position of capillary's projection（MPCP） was used to quantitatively characterize the friction force of water droplets on the surface of PU films. The influences of the stretching （strain and direction）， the volume and the moving speed of the droplet on the liquid-solid friction were investigated in detail. PU films very-well replicate the microstructures on rose petals that they have the similar static contact angle and sliding angle as rose petals. The PU films thus are superhydrophobic and isotropic， and show strong adhesion to water droplets. The size and spacing of the microstructures along the stretching direction （D_S） and the vertical direction （D_V） change upon the mechanical stretching； however， the water contact angles and sliding angles along the two directions remain same on the surfaces with various elongations. In contact， the friction forces， revealed by CPS， show clear difference along the directions of D_S and D_V， and show clear different dependences on the droplet volume. Increasing the stretching （or in another word the elongation of the sample）， the static friction force （F_S） and dynamic friction force （F_K） of water droplets on the PU film increase significantly， which also shows a clear direction dependence. Along the D_V direction， the frictional resistances decrease monotonically with the increase of the moving speed of the droplet， while in the D_S direction， only when the moving speed of the droplet is higher than 1.55 mm/s， the frictional resistances decrease with the increase of the moving speed. In summary， we achieve the transition between the isotropic and anisotropic states on the highly-adhesive superhydrophobic surface and the regulation of liquid-solid friction by mechanical stress， which paves the way for the design， characterization and application of intelligent surfaces with special wettabilities.

Key words: Surface wettability, Contact angle, Sliding angle, Friction force, Capillary-projection sensing technology, Bioinspired material

中图分类号:

O647.5

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图/表 6

图1 制备仿生PU膜过程中样品的典型3D形貌图（A）新鲜玫瑰花；（B）PDMS倒模；（C）具有玫瑰花表面结构的PU样品

Fig.1 Typical 3D profiler images in the process to prepare bioinspired PU film（A） fresh rose pedal；（B） PDMS negative replica；（C） PU film with rose pedal structure

图2 （A） 0%延伸率；（B） 20%延伸率；（C） 40%延伸率；（D） 60%延伸率；（E） 80%延伸率不同延伸率PU膜的3D形貌图；（F）拉伸方向（DS）和垂直于拉伸方向（DV）乳突结构尺寸随延伸率的变化；（G）乳突结构的拉伸示意图

Fig.2 3D topographies of PU films with strain of （A） 0%，（B） 20%，（C） 40%，（D） 60%，（E） 80%；（F） Structure size along the directions of DS and DV， and （G） diagram of the PU film under various strains

图3 不同延伸率PU膜样品的（A）接触角和（B）典型滚动角

Fig.3 Measurements of （A） contact angle and （B） typical sliding angle of water droplet on PU films with various strains

图4 （A）起始位置、（B）静摩擦力最大值、（C）平稳阶段液固界面摩擦过程光学照片；（D）摩擦力（F）随时间变化过程

Fig.4 Photographs of friction process of a water droplet on PU film at （A） initial position，（B） maximum static friction force，（C） stationary phase；（D） Typical evolution process of friction force （F） during the lateral displacement.

图5 在拉伸方向（DS）和垂直于拉伸方向（DV），机械应变对静摩擦力（FS）和动摩擦力（FK）的影响：（A） FS和（B） FK随延伸率和液滴体积的变化；（C）延伸率80%的样品表面FK随液滴体积的变化

Fig.5 The influence of mechanical strain and droplet volume on （A） static （FS） and （B） kinetic （FK） friction forces in the stretching （DS） and vertical （DV） directions， respectively；（C） The dependence of FK on the droplet volume on the surface with 80 % strain. The solid and dashed lines are the linear fits to the friction in DS and DV， respectively

图6 在拉伸方向（DS）和垂直于拉伸方向（DV），液滴移动速度对静摩擦力（FS）和动摩擦力（FK）的影响：（A）DS方向FS和FK随液滴移动速度的变化；（B） DV方向FS和FK随液滴移动速度的变化

Fig.6 The Influence of mechanical strain and droplet velocity on static （FS） and kinetic （FK） friction force in （A） stretching （DS） and （B） vertical （DV） directions， respectively

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