亲水材料表面超疏水功能转换的微结构设计和方法

摘要

一种亲水材料超疏水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。根据超疏水接触角要求计算出微结构突起比率；同时根据使用条件确定出微结构的最大周期；最后，根据设计的微结构和结构参数验证液体与微结构表面的接触状态。本发明通过控制微结构的形式实现表面的超疏水性能，而并非对表面进行涂层处理，因此即使材料发生部分磨损，只要微结构内部的结构形式没有发生改变，微结构表面的超疏水性能不会受到影响，超疏水表面性能稳定，长期有效。

主权项

1.一种亲水材料超疏水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：首先选用多边形、圆形或非规则截面形状微结构形式的微柱阵列结构，且在微柱上布有更小尺度的周期性沟槽或为T型结构形式；再根据超疏水接触角要求计算出微结构突起比率；同时根据使用条件确定出微结构的最大周期；最后，根据设计的微结构形式和结构参数验证液体与微结构表面的接触状态；微结构的突起比率是指结构顶端的总面积与表面的水平投影面积之比，对于微柱阵列表面，若结构在表面切平面的两个方向上的周期分别为L₁和L₂，单个微结构的顶端面积为A，则突起比率为：f₁=A/(L₁×L₂) ，其中f₁为突起比率；对于超疏水表面的突起比率通过Cassie公式和给定的超疏水表面所需的液滴接触角计算：f₂=(cosθ_C+1)/(cosθ+1)，θ_C为所设计的表面的超疏水接触角，θ为水在光滑表面上的本征接触角；f₁≤f₂，否则重新调整f₁中的三个参数L₁、L₂和A；确定微结构最大周期的公式为：(P-P₀)(L₁×L₂-A)<-Sγcosα<Sγ，其中P为液体内部压强，P₀为大气压强，S为突起结构顶端表面的周长，γ为液体水的表面张力，α为液面与微结构竖直壁之间的接触角；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：选取小于最大结构周期的结构周期L，此时β可通过几何关系求得：β=arcsin(Lγ(1-)/(2P-2P₀))，f为突起比率；若β＞θ，则液体在一般的微结构表面上处于Wenzel状态，反之则处于Cassie状态。