[发明专利]一种设置微结构保护层的超疏水表面设计方法

说明书

本发明公开了一种设置微结构保护层的超疏水表面设计方法，微结构是由等间距分布的微米级圆柱体、圆柱盲孔组成，并设置保护层用以保护微结构免遭机械式破坏；基于Cassie‑Baxter浸润模型推导出数学方程，用以精确表征微结构特征参数与超疏水功能即水滴接触角之间的数值关系；根据数值关系即数学方程，预设特征参数求解接触角，明确接触角大于150°时对应的特征参数，在该前提下设置保护层，使微结构免遭机械式破坏。本发明的设计方法，通过调控微结构特征参数实现超疏水功能的可控设计，并设置保护层来使微结构免遭机械式破坏，使超疏水功能持久保持。

技术领域

本发明属于超疏水表面设计领域，尤其涉及一种设置微结构保护层的超疏水表面设计方法，设置的保护层可使微结构不易遭受破坏，使超疏水功能够持久保持。

背景技术

超疏水表面是指水滴的接触角大于150°且滚动角小于10°的材料表面，其在自清洁、防腐蚀、飞行器抑冰、海洋防污及船舰减阻等诸多领域具有重要的应用价值。液滴在固体表面产生的接触角是衡量润湿特性的重要指标，接触角是固、液、气等3界面之间表面张力平衡的结果，张力平衡时体系总能量趋于最低，此时固体表面上的液滴处于稳定状态。Wenzel认为当液滴与固体表面接触时能够将粗糙表面的微形貌结构完全浸没，提出了Wenzel方程cos θ_w=rcos θ，其中 θ_w为液滴接触角、 r为粗糙度因子、 θ为液滴在光滑表面的本质接触角。但液滴对粗糙表面的微形貌结构并不能完全浸润，故Cassie-Baxter浸润模型被提出，认为接触面是由液滴、固体表面微形貌结构、微形貌结构内部存留的空气等3部分组成，并据此提出Cassie-Baxter方程cos θ_T= f_sl( f_rcos θ_c+1)-1，，其中 θ_T是接触角、 θ_c是本征接触角、 f_sl是液滴实际浸润固体面积与表观几何接触面积的比值、 f_r表示粗糙度系数即表面的非光滑程度。材料表面之所以具有超疏水特性，主要是因为微形貌结构形成了较大程度的气-液界面来维持Cassie-Baxter浸润状态，使得材料表面呈现较大的接触角。微形貌结构是影响水滴在材料表面呈现较高接触角的关键因素，因此超疏水表面制备主要是在具有微形貌结构的粗糙表面修饰低表面能物质，或在低表面能材料表面构筑微形貌结构。

基于上述设计原理，该申请专利的发明人已开展超疏水表面设计研究，以猪笼草滑移区能够呈现超疏水特性的微形貌结构为仿生原型，设计了超疏水表面并采用3D打印技术与高压静电吸附技术实现其制备，测试结果显示所制备超疏水表面的水滴接触角为152.6°，表明具有良好的超疏水功能（授权发明专利，专利号ZL 202010458218.7；学术论文，Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials，2022, 11(1): 1–7）。然而，所设计的超疏水表面因微形貌结构没有保护层而易遭受破坏，导致超疏水功能不持久。