纤维状表面与POSS基材料润湿性的分子动力学模拟

论文摘要

超疏水材料是当前材料科学领域的研究热点之一,可用作表面自清洁和表面涂层,在纺织、电子科技、医学、航空航天等众多领域均有广阔应用前景,这种优异性能与材料表面的微观结构和化学组成密切相关。本文采用分子动力学模拟方法,从以上两方面着手考察材料表面润湿性能,主要工作如下：以铜-汞单原子理想表面体系为研究对象,验证本文所采用模拟方法对表面润湿性研究的正确性,并考察了体系温度、体系尺寸和液滴半径对材料表面润湿性的影响。研究结果表明,在变化两相作用参数时,模拟接触角及变化规律与文献结果相一致,说明了本文所建立方法的合理性。由于周期性结构的使用,可忽略体系尺寸对表面润湿性能的影响。在增大液滴半径时,微观尺度下表面线张力的存在有助于增强表面的疏水性,亦可预测宏观实验中表面接触角,实现接触角模拟结果与宏观实验测量值之间的关联。体系温度作为关系材料使用的重要参数,可改变液滴的表面张力。降低使用温度会增大表面接触角,提高表面的疏水性能。在理想表面模拟基础上,构建了纤维状结构表面,考察了微观结构尺寸对于润湿性能的影响。增加纤维状结构高度,表面接触角逐渐增大而后趋于稳定；增加纤维状结构间距,表面接触角逐渐增大而后减小；这些表面接触角模拟结果与Wenzel模型和Cassie模型的理论预测值以及变化规律相一致。在考察纤维直径影响时,发现临界平衡接触角可准确预测固液两相接触时均相润湿与非均相润湿状态之间的转变,这种转变主要归因于自由能垒的存在；另外发现当液滴与纤维状结构表面的初始高度与碰撞直径相接近时,初始高度会影响到表面润湿状态,从而改变表面接触角。以多面体聚倍半硅氧烷（POSS）基材料为研究对象,首次采用分子动力学方法考察了其表面的润湿性,且与直接水解法实验制备材料的表面水接触角进行了比较。并考察了体系温度,以及烷基单取代和八取代时链长对表面润湿性的影响。POSS分子和水分子分别采用COMPASS力场和SPC力场,模拟结果表明,H-POSS基体具有一定晶体特性,其表面表现出疏水性,水接触角的模拟值与实验值相一致,说明分子动力学模拟方法可应用于POSS基材料的表面润湿性研究中。在指定体系温度范围内,体系温度的提高,减少了液滴内部氢键的形成,从而降低了H-POSS材料的表面疏水性。对于单取代和八取代的聚倍半硅氧烷,随着烷基链长的增长,表面的水接触角逐渐增大,增强了POSS基材料表面的疏水性能。相对于纯聚乙烯链,POSS笼状结构的引入会进一步提高材料表面的疏水性能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 插图和附表清单
• 1 前言
• 2 文献综述
• 2.1 表面润湿性
• 2.1.1 表面润湿性的表征参数
• 2.1.2 表面润湿的基本理论
• 2.1.3 表面润湿性的研究进展
• 2.2 分子动力学模拟
• 2.2.1 分子模拟简介
• 2.2.2 分子动力学基本原理
• 2.2.3 分子动力学模拟的应用
• 2.3 本课题研究内容和意义
• 3 理想表面接触角的分子动力学模拟
• 3.1 模拟体系构建与力场
• 3.1.1 体系的构建
• 3.1.2 力场
• 3.2 模拟方法及接触角计算方法
• 3.2.1 模拟方法
• 3.2.2 接触角计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Cu-Hg相互作用强弱
• 3.3.2 铜基体宽度的影响
• 3.3.3 汞液滴半径的影响
• 3.4 小结
• 4 纤维状结构表面润湿性的分子动力学模拟
• 4.1 纤维状结构表面的构建
• 4.2 模拟方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纤维状结构高度
• 4.3.2 纤维直径
• 4.3.3 纤维状结构的间距
• 4.4 小结
• 5 POSS基材料表面润湿性的分子动力学模拟
• 5.1 模型与方法
• 5.1.1 H-POSS表面的构建与优化
• 5.1.2 H-POSS材料表面润湿的模拟
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 H-POSS基体构建与优化
• 5.2.2 H-POSS材料表面的润湿性能
• 5.2.3 八取代基对表面润湿性的影响
• 5.2.4 单取代POSS材料表面的润湿性
• 5.3 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要研究成果