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PμSL 3D打印花瓣状微结构表面实现液滴操控、油水分离和减阻

发布时间:2022-08-11      点击次数:198


受自然生物学启发制备的具有不同润湿特性的功能性表面在液体收集、液滴操纵、减阻及油水分离和药物输送系统等领域蓬勃发展。值得注意的是,功能性拒水表面成为其中一个热门议题。荷叶上的超疏水现象表明由亲水材料制成的具有特殊微纳结构的表面可以实现疏水甚至超疏水特性。因此,越来越多的研究人员致力于设计和制造独.特的微纳结构使得由亲水材料组成的表面呈现出超疏水的特性,进而实现更多特定的功能。


随着3D打印技术的逐步发展,越来越多的复杂结构如蘑菇头状、重入蘑菇头状、打蛋器状及仿弹尾虫表面等被设计和制备以实现一定的拒水效果。尽管相关研究提出了具有各种形状的拒水微结构,但这些形状大多具有蘑菇状形式。设计3D 微结构并深入探索机理,从而进一步提高拒水及液滴承载性能仍然是一个挑战。最近,对猪笼草的研究表明,猪笼草口缘区域微腔结构的锐利边缘和弓形曲线具有将液体钉扎在弯曲结构上的超.强能力,该能力甚至可以克服重力。


据此,西安交通大学机械工程学院张辉副教授等提出了一种新型 3D 打印仿生超疏水花瓣状微结构表面,其灵感来自猪笼草口缘区域的水钉扎效应。该团队利用高精度3D打印技术(nanoArch P140,摩方精密)实现了花瓣状微结构表面的制备。具有花瓣状微观结构的亲水性树脂具有宏观超疏水性和优异的拒水性。与普通蘑菇形结构相比,优化后的花瓣状结构承载力最大增加率为58.3%。相应的机理分析表明,锋利的边缘效应和弓形曲线效应是造成这种超排斥性能的原因。


然后团队进行了对几何特征(花瓣数量P、结构间隙S及花瓣结构占比K)对花瓣状微结构表面液滴承载能力影响的实验研究。覆盖微结构数、接触角变化和最大崩溃体积参数反映了不同参数表面的液滴承载能力。优化后的微结构阵列(花瓣数量P4,结构间隙S100 μm,花瓣结构占比K0.5)与普通蘑菇形微结构相比,液滴承载力的最大增加率为58.3%


当滴加液滴至 3D 打印花瓣状微结构表面上时,液滴将覆盖多个花瓣状微结构组成的方形阵列区域。微结构顶面上的液滴呈现锯齿形边界。弓形曲线和花瓣状结构的锋利边缘的协同作用作为能量屏障,限制了水滴的铺展和崩溃。由于花瓣微结构材料本身具有亲水性,液滴沿花瓣拉伸形成凹形液体边界曲线,类似于液体在平行侧壁中的流动情况。相似的液体边界曲线形状和具有锐角边缘的弓形曲线导致花瓣状微结构表面具有较高的水约束力。


花瓣状微结构表面具有优异拒水性可用于超大液滴承载、微反应器、无损液滴搬运、倾斜表面液滴快速脱附、油水分离、气泡保持和减阻等领域。


1 a 猪笼草口缘区域及其微腔结构;b 花瓣状微结构表面设计及3D打印模型;c 3D打印的平面表面接触角约为55°,具有花瓣状微结构的表面具有宏观超疏水性,其接触角约为160°,即使表面倒置,水滴也会粘附在表面上。


2 a 液滴在花瓣状微结构阵列的顶部沿微结构边缘呈现锯齿形边界;b 液滴与微结构之间的接触边界示意图;c 亲水花瓣微结构拉伸液滴以及平行侧壁间液体的粘附和拉伸效果。


图3 花瓣状微结构表面应用a超大液滴承载;b 微反应器;c 无损液滴搬运;d 倾斜表面液滴快速脱附;e 油水分离;f 气泡保持和减阻实验