潤濕狀態
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-23
潤濕狀態的實例教程
本文將主要介紹生物界中相關的現象與典型結構特征，旨在為仿生特殊潤濕表面制備提供參考。文章主要分為三部分：
l Cassie與Wenzel潤濕狀態；
l 靜態潤濕狀態；
l 智能潤濕行為。
1. Cassie與Wenzel潤濕狀態
在表面潤濕性研究當中，最常接觸的就是Cassie狀態和Wenzel狀態了，從圖 1中可以看到，Cassie狀態表明液體與固體間不完全接觸，存在氣體（一般稱為“氣墊”或“氣室gas chamber”）；Wenzel狀態下液體與固體緊密接觸，界面不包含氣體。
圖 1 Cassie與Wenzel狀態示意圖
由以上公式可知，Wenzel狀態下，增加粗糙度不會改變表面親疏水性，只會使疏水表面更疏水，親水表面更親水；當處在Cassie狀態時，表觀接觸角顯著提升，更易實現超疏水狀態。
2. 靜態潤濕狀態及典型生物特征
仿生制備超疏水表面，首先要對典型生物特征進行分析，細致的觀察生物宏觀特性與微觀結構特征之間的聯系，研究相應的機理，對制備類似功能表面具有非常重要的意義。這方面的研究主要集中在2000-2010年，屬于超疏水相關早期研究。
自然界經過上億年漫長的進化過程，通過細胞的分化演化出了許多微觀上非常精密的結構，使不同生物宏觀上表現出令人著迷的現象。圖 2展示了四種典型的靜態潤濕狀態、相對應的典型生物以及對其表面進行的微米和納米級觀察。
展開 10、自然界那些神奇的現象——超疏水的魅力
作者：
天佑有限元
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1820954
本文將主要介紹生物界中相關的現象與典型結構特征，旨在為仿生特殊潤濕表面制備提供參考。文章主要分為三部分：Cassie與Wenzel潤濕狀態；靜態潤濕狀態；智能潤濕行為。
11、通過仿真分析高強度超聲聚焦技術在生物組織中的傳播
作者：
天佑有限元
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1820980
高強度超聲聚焦（High-intensity focused ultrasound，HIFU）是一種用于生物醫學領域的非侵入性技術，包括手術、癌癥治療和沖擊波碎石術。當施加高強度聚焦超聲時，超聲波在焦點上耗散實現組織凝結和消融。我們可以通過仿真進一步分析該技術的聲學特性和非線性性質。
12、列車氣動外形分析：車頭越尖越好嗎？
作者：
白露丹楓
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1821039
近年來，我國的高鐵取得了長足發展，以至于開始在海外的競爭中也開始聲譽顯赫。對于散仙這么一個小老百姓而言，可能最直接的感受就是，從成都到蘭州特快列車需要19小時左右，現在高鐵僅需7小時左右。我們所見到高鐵列車車頭大多是近似尖頭狀的，很顯然，這是為了列車頭有更好的外形氣動性能，以降低高速行駛時迎面的垂直于截面的滯止壓力，減小列車風阻。外形氣動性能分析是高鐵列車頭外形設計必經的步驟之一，那么，列車頭的風阻到底能達到一個什么樣的程度呢？
展開 相反，在水中具有親油性質的表面在干燥狀態和空氣介質中通常表現為超疏水和超親油。在空氣和水介質中均具有超雙親（即“兩棲” 超雙親）性質的表面材料報道很少，其制備一直是個挑戰性難題。
最近，澳大利亞迪肯大學（Deakin University）林童教授團隊報道了一種簡單有效的表面處理方法，可使紡織品材料表面具有穩定的“兩棲” 超雙親性質。該團隊采用一種表面涂層技術，將兩種分別帶有親水和親油官能團的化合物涂布于紡織品材料的表面，并進行交聯處理。經過處理的紡織品面料在空氣中表現為優秀的超雙親性質，對水、油和多種有機溶劑的觸角為0°。在水中或完全被水潤濕的條件下，該面料仍然可以使油和不溶性有機溶劑在表面迅速鋪展。該涂層不僅具有良好的牢度，而且可抵御酸堿侵蝕和長時間紫外照射。不僅如此，該涂層還表現出了自修復功能，在被化學侵蝕破壞后，其水下超親油性能可以通過加熱恢復到原的有功能狀態。該團隊進一步證明，這種兩棲超雙親材料在油水分離方面有很大的應用潛力。無論織物在干燥還是潤濕狀態，都表現出了穩定的吸油能力。
圖1：“兩棲”超雙親表面的處理過程及效果。
詳細結果已發表在近期的《Materials Horizons》（DOI: 10.1039/C8MH00898A）。文章共同第一作者為博士生符思達和周華博士，通訊作者為王紅霞博士和林童教授。
來源：高分子科學前沿
展開 論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127493
研究團隊在抗菌和抗細菌黏附技術的構建方面也取得了其它系列成果：
①為探究新型的高效抗菌分子，設計合成了一種仿生甲殼蟲狀的抗菌大分子(International Journal of Biological Macromolecules, 2020,157:553-560，ESI高倍引論文);
②為解決多孔粗糙纖維表面由于毛細管力吸附作用易黏附細菌的難題，提出了超疏水超疏油Cassie-Baxter狀態表面構建技術，細菌液滴被空氣層懸浮在其表面(ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10: 6124–6136, ESI高被引，熱點論文) ;
③為探究在任意異型表面構筑抗細菌黏附表面技術，研究開發了一種簡易噴涂抗細菌黏附微球的技術，提出了親水阻抗和疏水排斥型兩種抗細菌黏附模型，并論證了超疏水疏油/超疏水水下疏油特性是疏水表面抗細菌黏附的內在機制，首次通過分子模擬闡述水化層阻抗是親水表面抗細菌黏附的內在機制(Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7:26039-26052);
④提出實現了抗細菌黏附技術在基于Cassie-Baxter潤濕狀態下具有抗液體干擾和抗細菌黏附的高拉伸性和超靈敏可穿戴柔性應變傳感器中的應用(Advanced Functional Materials, 2020, 30(23): 2000398);
⑤為探究在復雜多變的環境下構筑抗細菌黏附表面的技術，研究開發了一種智能抗細菌黏附溫度和光雙重響應增強技術，提出并論證了溫度和紫外光照射刺激對復合表面的抗細菌黏附性能的影響規律及其機理，并通過體外細胞實驗和體內動物實驗綜合評估了復合材料的生物安全性能
展開 一是黏接劑要能很好的潤濕被黏物表面；液體黏接劑向被黏表面擴散，逐漸潤濕被黏物表面并滲入表面微孔中，由點接觸變成面接觸。二是黏接劑與被黏物之間有較強的相互作用力；產生吸附作用形成次價鍵或主價鍵。從圖1中看出，表面張力大，潤濕能力差，表面張力小，潤濕能力好。聚合物是表面張力小容易浸潤黏合界面附著力好，表面張力大會讓膠水呈蠟滴狀圓球不擴散。
圖1 表面張力與潤濕性能關系示意圖
在粘接過程中，潤濕是一個至關重要的環節，它直接影響到粘接強度和粘接效果。潤濕程度通常用接觸角來表示，而楊氏方程則是描述接觸角與界面張力之間關系的重要公式。
一、潤濕與接觸角
潤濕是液體在固體表面鋪展的現象，是液體分子與固體分子間相互作用的結果。在粘接過程中，良好的潤濕意味著液體膠黏劑能夠充分鋪展在被粘接物的表面，形成緊密的接觸。接觸角是描述潤濕程度的一個直觀指標，它表示液滴在固體表面上形成的夾角。當接觸角較小時，說明液體對固體的潤濕性好；當接觸角較大時，則潤濕性差。
二、表面自由能基本理論
著名的楊氏方程描述了固-液-氣三相接觸的平衡。具體公式如下：
圖1 固液氣三相點
楊式方程是所有表面自由能的理論基礎，它描述了空氣、液體和固體相遇的三相接觸點處的力的平衡。楊式方程如下：
γsv是固體表面自由能，γsl是固體和液體之間的界面張力，γlv是液體的表面張力，θy是接觸角。當確定固體表面自由能時，需要知道或測量方程的右側。表面張力和接觸角很容易測量，但液體和固體之間的界面張力測試很難。
如果γs>γl，這個假設后來證明是真的。Good和Girifalco將方程轉換為如下形式：
假定φ=1，這也是WORK理論的基礎。
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潤濕狀態的最新內容
EQS
1
粗略評估非極性固體表面自由能
并沒有將總體的表面自由能進行區分，計算是基于實驗中定義的常數進行的，結果重現性較差
Zisman
2（實際上液體種類越多結果越接近真實值）
低能、非極性表面
并不僅僅針對表面自由能也可評估潤濕狀態下的界面張力
纖維在干燥狀態下測定的強度稱干強度；在潤濕狀態下測定的強度稱濕強度。回潮率較高的纖維的濕強度比干強度低。大多數合成纖維的回潮率很低，濕強度接近或等于干強度。
2.斷裂伸長率
纖維的斷裂伸長率一般用斷裂時的相對伸長率，即纖維在伸長至斷裂時的長度比原來長度增加的比例表示。
Swell Model的基礎是Mohr-Coulomb模型的非關聯剪切和關聯拉伸流動規則，與之不同的是，通過耦合潤濕應變(wetting strains)與潤濕前的模型狀態，考慮了潤濕引起的變形(wetting-induced deformations)，但屈服和勢能函數、塑性流動規則以及應力修正與Mohr-Coulomb模型的假設相同。
1.1
質子交換膜（PEM）
全氟磺酸膜是常用的商業化 PEM，屬于固體聚合物電解質；
利用碳氟主鏈的疏水性和側鏈磺酸端基的親水性，實現PEM在潤濕狀態下的微相分離，具有質子傳導率高、耐強酸強堿等優異特性。
當氣候炎熱時或有風時，2h～3h后即可澆水以維持充分的潤濕狀態。在潮濕氣候條件下，空氣相對濕度大于60%時，使用普通水泥時，濕潤養護時間不少于7d。
模板拆除
模板的拆除期限應根據結構物特點、模板部位和混凝土所達到的強度來決定。墻面板和扶壁的側模板屬非承重模板，應在混凝土強度能保證其表面及棱角不受損傷時才能拆除，一般應在混凝土抗壓強度達到2.5MPa時方可拆除側模板。
文章主要分為三部分：Cassie與Wenzel潤濕狀態；靜態潤濕狀態；智能潤濕行為。
文章主要分為三部分：
l Cassie與Wenzel潤濕狀態；
l 靜態潤濕狀態；
l 智能潤濕行為。
1.
研究開發了一種簡易噴涂抗細菌黏附微球的技術，提出了親水阻抗和疏水排斥型兩種抗細菌黏附模型，并論證了超疏水疏油/超疏水水下疏油特性是疏水表面抗細菌黏附的內在機制，首次通過分子模擬闡述水化層阻抗是親水表面抗細菌黏附的內在機制(Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7:26039-26052);
④提出實現了抗細菌黏附技術在基于Cassie-Baxter潤濕狀態下具有抗液體干擾和抗細菌黏附的高拉伸性和超靈敏可穿戴柔性應變傳感器中的應用
目前常用的商業化質子交換膜是全氟磺酸膜，其碳氟主鏈是疏水性的，而側鏈部分的 磺酸端基（-SO3H）是親水性的，膜內會產生微相分離，當膜在潤濕狀態下，親水相 相互聚集構成離子簇網絡，傳導質子。
3）氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL）
氣體擴散層位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩定電極結構，具有 質/熱/電的傳導功能。
試驗結果
以微滴沉積效果為依據，從微滴沉積狀態和潤濕時間對改性處理后織物潤濕性進行評價，結果表明，經陽離子脂肪酰胺TF449A處理后的織物，微滴的沉積效果最佳，接觸角為78.5°，潤濕時間從1.9s增加178.2s，微滴擴散面積從2.13 mm2減小至0.47mm2；利用搭建的微滴噴射實驗平臺，實現了硝酸銀和抗壞血酸的按需穩定噴射，獲得了二者穩定噴射的工藝參數。
