超疏水表面利用壓板法量測接觸角的遲滯現象與超疏水表面因缺陷存在造成水珠停滯不前的現象

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曾祥慶(Seong-heng Chan) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學工程與材料工程學系

論文名稱

超疏水表面利用壓板法量測接觸角的遲滯現象與超疏水表面因缺陷存在造成水珠停滯不前的現象
(Contact Angle Hysteresis by Superhydrophobic Surface Compression and Defect Pinning on Superhydrophobic Surface)

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摘要(中)

本實驗利用自行改質的二氧化矽奈米粒子塗佈在玻璃上所形成的超疏水表面來探討水滴接觸角的遲滯現象。
實驗分為兩部分，第一部分針對水滴接觸角的遲滯現象提出新的量測方法－壓板法，實驗利用超疏水表面擠壓在壓克力表面上的水珠，探討在固定的水珠體積之下，旋轉平台上升使水珠被超疏水表面擠壓以及旋轉平台下降水珠回復的過程當中，水珠高度、水珠於壓克力上的接觸面直徑與水珠在壓克力上的接觸角三者之間的相對關系是如何來呈現接觸角的遲滯現象。
第二部分實驗探討在沒有遲滯現象的超疏水表面上刻意製造出缺陷，觀察水珠在缺陷上方隨著傾斜角慢慢增加而開始出現滾動的行為，藉由探討缺陷大小、缺陷上方水珠的大小、水珠前端與後端的接觸角與水珠滾動時的傾斜角之間的相對關係來模擬遲滯現象的成因。

摘要(英)

Abstract
In this thesis, a homemade superhydrophobic surface,fabricated by spraying the coating of surface-modified nanosilica on glass slice, is employed as an experimental material to discuss the phenomenon of contact angle hysteresis.
The experiment is divided into two parts. In the first part, a new measurement of contact angle hysteresis, compression of plate, is presented. Through observation of the droplet compressed and stretched by downward and upward movement of superhydrophobic surface, the relation between the height, base diameter and contact angle of droplet can be recorded and hence the behavior of contact angle hysteresis can be verified.
In the second part, different sizes of defects are made on the superhydrophobic surface which is originally free of contact angle hysteresis. The cause of contact angle hysteresis can be simulated by observation of the relation between sizes of defects, sizes of droplets, the forward and backward contact angle of droplet and the sliding angle of droplet.

關鍵字(中)

★ 二氧化矽
★ 表面改質
★ 接觸角
★ 壓板法
★ 超疏水
★ 遲滯效應

關鍵字(英)

★ contact angle
★ nanosilica
★ pinning
★ hysteresis
★ superhydrophobic

論文目次

目錄
中文摘要………………………………………………………..Ⅰ
目錄……………………….……………………………………..Ⅲ
圖目錄…………………………………………………………..Ⅵ
表目錄…………………………………………………………..Ⅸ
第一章緒論……………………………………………………1
1.1前言……………………………………………………………1
1.2潤濕現象的定義………………………………………4
1.2.1楊氏方程式(Young's equation)………………………4
1.2.2溫佐方程式(Wenzel's)………………………………………7
1.2.3卡西方程式(Cassie's )……………………………………….…9
第二章相關原理與遲滯角度的測量方法…………………12
2.1遲滯角度的測定量理與方法…………………………………12
2.1.1前進角與後退角…………………………………………………13
2.1.4接觸角遲滯(Contact Angle Hysteresis ,CAH)…………14
2.2超疏水的分類………………………………………………………16
2.2.1低遲滯的超疏水表面-蓮花效應……………………………16
2.2.2高遲滯的超疏水表面-玫瑰效應和蔥蒜效應…………20
2.3測量高遲滯超疏水表面的方法……………………………………24
2.4前進與後退測量方法………………………………………27
2.4.1微量針頭法(Needle-Syringe)………………………………28
2.4.2利用微量針筒於蒸發法測量水珠在壓克力的遲滯角
度………………………………………………………………29
2.4.2.1水珠的後退BD與前進BD的Pinning…………31
2.4.3 Wilhelmy 平板法（Plate Method）………………………34
2.4.4傾斜法 (Incline plate)………………………………………35
第三章實驗介紹……………………………………………37
3.1實驗材料和藥品…………………………………………………37
3.1.1材料和藥品………………………………………………………37
3.1.2壓克力與玻璃清洗程序………………………………………37
3.2 儀器介紹…………………………………………………………37
3.2.1 影像式接觸角量測儀(Software-Controlled Multi
DosingSystem-DSA10........................................37
3.2.1.1接觸角在分析軟體中的四種測量方法...................39
3.2.2 高速相機Optronis CMOS(Cam Record450*2)..............40
3.2.3巨觀放大顯微測量系統OPTEM 125 C Microscope..........41
3.2.4原子力顯微鏡AFM(Atomic Force Microscope).............42
3.2.4.1壓克力透過AFM的測量................................45
3.3實驗步驟...............................................46
3.3.1超疏水玻璃合成步驟...................................45
3.3.2壓板法的裝置.........................................46
3.3.3傾斜法的裝置.........................................49
第四章壓板法實驗結果與討論...............................50
4.1壓板法的上方和下方材質................................50
4.1.1壓板法上方材質為改質後二氧化矽超疏水表面.............51
4.1.2壓板法上方為超疏水表面，因擠壓的程度不同造成水
珠脫離上方材質的角度不同而區分兩個區域參考圖(4-3)
..................................................... 53
4.1.3壓板法上層材質為聚四氟乙烯(Teflon)...................55
4.1.4壓板法上層材質為鋁片(Aluminium) .....................57
4.1.5壓板法上層材質為壓克力(Acrylic glass)................59
4.1.6壓板法上層材質為玻璃( Glass).........................61
第五章壓板法的結論.......................................64
第六章傾斜法實驗結果與討論...............................69
6.1傾斜法在不同大小缺陷和不同水珠的體積...................69
6.1.1在a=0.8mm和1mm正方形缺陷，不同水珠的體積其傾
斜角度對水珠前後端角度的相對變化..........................70
6.1.2正方形缺陷a分別為0.8mm 、1mm和1.5mm和不同
水珠的體積造成滑動角相對變化.......................69
6.1.3正方形缺陷a分別為1.5mm 、3.5mm和5mm..................73
第七章傾斜法傾斜法超疏水缺陷結論.........................76
第八章參考文獻..........................................77

參考文獻

1. 葉銘智，分子構型對濕透行為之影響研究，國立台灣大學化學工程研究所博士論文(2003.6)
2. J.S.Rowlinson and B.Widom,"Molecular Theory of
Capillarity",OXFORD SCIENCE PUBLICATIONS,66,816(1982)
3. R.N.WENZEL,Ind.Eng.Chem,28,988-994(1936)
4. A.B.D.Cassie and S.Baxter,Trans.Faraday Soc, 40,546-551 (1944)
5. Gennes,P.G.De,B.Wyart,Francoise,Quere and David "Capillarity and wetting Phenomena Drops, Bubbles,Pearls, Waves", Springer, (2004)
6. W.Barthlott,R.Fürstner“Wetting and Self-Cleaning Properties of Superhydrophobic Surfaces”Langmuir,21,956-961(2005)
7. L.Feng and L.Jiang,“Petal Effect: A Superhydrophobic State
with High Adhesive Force ”Langmuir,24,4114-4119(2008)
8. F.M.Chang,S.J.Hong,Y.J.Sheng and H.K.Tsao“High contact angle hysteresis of superhydrophobic surfaces: Hydrophobic defect” Appl.Phys.Lett.95,064102(2009)
9. R.E.Johson and R.H.Dettre, Contact Angle ,Wettability and Adhesion in Chemistry Series 43,112 and 136(1964)
10. J.F.Joanny and P.G. de Gennes,J.Chem.Phys.81,552(1984)
11. S.J.Hong,F.M.Chang,T.H.Chou ,S.H.Chan,Y.J.Sheng , and H.K.Tsao“Anomalous Contact Angle Hysteresis of a Captive Bubble:Advancing Contact Line Pinning” Langmuir,(2011)
12. E. Ramé“The Interpretation of Dynamic Contact Angles Measured by the Wilhelmy Plate Method”Journal of Colloid and Interface Science .185,245-251(1997)
13. X.Li,Z.Cao,F.Liu,Z.Zhang and H.Dang “A Novel Method of Preparation of Superhydrophobic Nanosilica in Aqueous Solution”Chemistry Letters.35,94(2006)
14. M.Reyssat and D.Quéré “Contact Angle Hysteresis Generated by Strong Dilute Defects”J.Phys.Chem.B,113,3906-3909(2009)

指導教授

曹恒光(Heng-kwong Tsao)

審核日期

2011-6-23

推文