具水下空气层保持性的纤维基毛状表面的仿生构建

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1、学校代号：10255作者学号：1129065东华大学博士学位论文DOCTORALDISSERTATIONOFDONGHUAUNIVERSITY具水下空气层保持性的纤维基毛状表面的仿生构建Biomimeticfabricationoffiberbasedhairysurfaceswithunderwaterair-retainingproperties学科专业：纺织化学与染整工程作者姓名：郑亚雯指导教师：周翔完成日期：2018年4月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所

2、取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不

3、保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日东华大学博士学位论文具水下空气层保持性的纤维基毛状表面的仿生构建摘要一些植物和昆虫具有的水下保持空气层的能力，是继荷叶效应之后又一引起关注的新兴研究领域。它们较长时间保持空气层的能力往往与其表面密布的疏水绒毛结构有关。特别是，德国Barthlott等2010年报道的植物人厌槐叶萍（Salviniamolesta）可保持水下空气层达到十几天甚至一个月。该植物叶片表面密集分布着很多类似打蛋器结构的弹力绒毛，叶片表面覆盖着类似荷叶表面的纳米尺度蜡质晶体，使叶片表面呈现超疏水性，而绒毛尖端无蜡质覆盖，

4、呈现亲水性。研究者分析认为这种亲疏结合的弹力结构，使人厌槐叶萍具有良好的水下空气层保持能力。人厌槐叶萍的仿生研究方兴未艾。本研究以纤维材料为基材，采用静电植绒技术或采用表面毛圈结构织物，得到毛绒状表面结构，将它们经疏水改性，得到具水下空气层保持性能的纤维基仿生研究对象，进行性能分析和潜在应用研究。在文献调研基础上，对人厌槐叶萍叶片的表面结构、疏水性和亲水端粘附性等进行测定分析。然后作初步仿生试验，选择与人厌槐叶萍叶片结构有一定相似性的商品高分子材料（尼龙搭扣）和一些毛绒织物，进行疏水改性，测定表面疏水效果和观察其水下空气层保持能力。发现选择的商品高分子材料

5、虽与人厌槐叶萍表面结构具有一定的相似性，并有相似的高疏水性，但其空气保持性能较差；毛绒织物样品具有优良的疏水性，但毛绒高度过高时，在水下易倒伏，从而影响I东华大学博士学位论文空气保持能力。从初步试验分析认为具有较细毛绒直径，较密集毛绒分布、合适高度和一定支撑能力的表面毛状结构将有利于水下空气层保持。基于此，探讨利用静电植绒技术得到具有相似于人厌槐叶萍的水下空气保持能力的仿生制品，该技术简单易行，同时对表面毛绒尺寸和分布可进行调节。为定量评价空气保持性能，利用空气排水原理，设计水下集气定量分析装置，通过测定和计算样品空气层总量Vtotal和浸没一段时间后空气

6、层剩余量Vleft，以及空气以不同方式（气泡Vbubble和溶解Vdissolved）流失量，分析样品水下空气体积变化。采用不同品种和尺寸的绒毛植绒，改变植绒时间得到不同绒毛密度的植绒样品，并作疏水改性。经分析不同植绒样品的空气层保留性能，发现静电植绒样品表面空气保留时间随绒毛密度的增加而延长；增大绒毛高度可获得较大的Vtotal，从而延长空气保持时间；较小的绒毛直径可以获得较高的植绒密度，绒毛间隙减小，有利于增大绒毛间的毛细管力，稳定气液界面，利于空气层的保持。但绒毛的长度和直径一般同步增大，绒毛直径过大将影响植绒密度，即绒毛间隙增大，则水较易浸入绒毛间

7、隙，空气保持性变差。最优性能植绒样品5C（尼龙绒毛，绒毛直径0.022mm，植绒高度0.9mm，植绒密度500-700根/mm2）具有可与人厌槐叶萍叶片相比拟的水下空气层保持能力，水下600小时测定结束时，平摊状人厌槐叶萍叶片样品和植绒样品5C可分别保留0.4mL/25cm2（18%V2total）和0.5mL/25cm（25%Vtotal）气体。最后通过粘度计法比较植绒样品表面保留空气层状态下与排空空气层后的II东华大学博士学位论文对水阻力，结果表明表面空气层具有一定的减阻效应。观察到当绒毛尺寸增大到一定程度时，除植绒密度降低外，在植绒过程中绒毛还易出现

8、倾斜和倒伏现象，因此设计用长度不同的绒毛依次对同一基底植绒，得到绒