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        "id": 1,
        "chunk": "透明的超双疏涂层能够在排斥低表面张力液体的同时，在可见光范围内维持较高的透明度，为光学表面如太阳能电池、窗户、电子屏幕、军事设备的自清洁防污提供了潜在的应用。超双疏特性在防水、防冰、防腐蚀、自清洁和抗菌等领域也同样发挥着重要的作用。然而，大多数超双疏材料往往需要依赖于悬垂结构以使低表面张力液滴稳定在 Cassie 状态，而为了获得较高疏液性而制备的微米级粗糙结构往往会造成强烈的可见光散射，使超双疏材料的透明度变低。针对现有超双疏材料透明度低、制备方法复杂和基材适用性差等问题，本文设计了可大规模应用的纳米球模板喷涂法来制备具有分级“类蘑菇形”悬垂结构的透明超双疏材料，研究了材料的表面结构对疏液性和透明度的影响，以及材料在自清洁、防污、液体图案化和辐射制冷等方面的应用。主要研究成果如下：  \n\n1. 制备基于多级纳米悬垂结构的透明超疏油材料。通过喷涂含有原位生长二氧化硅的聚合物纳米球溶胶-凝胶溶液，在固化后除去纳米球模板和低表面能处理即可实现透明超双疏材料的制备。当单分散聚苯乙烯纳米球模板尺寸为 50nm，硅溶胶质量分数为 $30\\mathrm{wt\\%}$ 时，制备得到的材料具有优异的透光性和疏液性，对水具有超过 $165^{\\circ}$ 的静态接触角和低于 $1^{\\circ}$ 的滚动角，水滴很难沉积到材料表面，对表面张力低至 $25\\mathrm{mN/m}$ 的十二烷液滴具有 $155^{\\circ}$ 的静态接触角。同时，可见光区域的平均透光率达 $89\\%$ ，与玻璃基材透光率相当。制备得到的材料不仅表现出亚微米级的分形结构，材料表面还具有起疏液性关键作用的纳米悬垂“蘑菇形”结构，其结构为相互连接的二氧化硅网状骨架，能够在连续沙粒冲击和砂纸磨损下保持超疏油性能，具有良好的耐酸性、耐盐性和热稳定性。  \n\n![](images/e08b8f92a00afedcd493fad775fa5d9a4108d952ed6531d47817a7c7734f7a75.jpg)  \n图1-1 (a) 基于纳米球模板法制备透明超双疏涂层; (b) 经过染色的水滴，乙二醇，橄榄油和十二烷液滴滴在透明超双疏玻璃表面的照片。基底下放置文字图案用于证明涂层的透明性；(c) 不同表面张力液滴在超双疏涂层和普通玻璃表面的接触角；(d) 材料表面微纳米结构对光学性质的影响；(e) 超双疏玻璃与原始玻璃的透射率对比  \n\n![](images/57ad1265ce3d3e854cea7104cbfdd1f1bee13b1883195e705653a36a59955016.jpg)  \n图1-2 不同质量分数溶胶所制备涂层的SEM 图像。(a) $30\\mathrm{wt\\%}$ 。(c) $10\\%$ 。(e) $50\\mathrm{wt\\%}$ 。插图显示了制备的能够超疏低表面张力液体的纳米悬垂结构。比例尺： $200\\mathrm{nm}$ 。溶胶浓度为(b) $30\\mathrm{wt\\%}$ , (d) $10\\mathrm{wt\\%}$ , (f) $50\\%$ 时所制备涂层的结构示意图。d 是两个相邻悬垂结构之间的距离，其中， $\\mathrm{d}3>\\mathrm{d}2>\\mathrm{d}1$  \n\n2. 优化制备工艺，研究超疏油材料在太阳能电池等领域的应用。增加溶剂溶解去除纳米球模板的方式，拓宽了透明超双疏涂层在不同材料如织物、木材、金属、高分子和陶瓷等表面的制备。研究发现，在粗糙表面制备的透明超双疏涂层具有更优异的滚动角性能，在木材上制备的涂层具有低于 $6^{\\circ}$ 的十二烷液滴滚动角，原始粗糙的表面结构对降低涂层表面固液接触面积有促进作用。喷涂法能够将涂层制备在曲形界面上，超双疏改性后的样品瓶表现出和玻璃表面类似的优异疏液性能。在应用方面，通过抗菌测试验证了材料的优异抗细菌粘附性。电池表面的自清洁测试实验表明，涂层改性不会影响电池的光电转换效率，且为电池表面提供了疏油自清洁防护层。通过对超双疏材料进行等离子体的选择性暴露，我们能够制备出具有不同形状的亲疏液体图案化表面，在液体微阵列、微流芯片和防伪方面具有潜在应用前景。  \n\n![](images/4b95a4980d9e09a564ddc1af568d4500260a98bd1edfd1a0ebf59cb6943b393b.jpg)  \n图2-1 (a) 染色水滴组成的亲水性液体图案; (b) 疏水性液体图案; (c) 乙二醇在改性玻璃表 面滚动后形成的微图案; (d) 当液体流过改性玻璃表面时，防伪图案逐步显示示意图  \n\n![](images/5a20d21631eb263dabc21d7f41c34999a4575e8f138863541de4138e3def3d63.jpg)  \n\n图2-2 经过荧光染色的大肠杆菌在涂层和裸玻璃表面生长0, 8, 16, 24 小时后对材料表面的  \n\n粘附性能  \n\n![](images/59e85b1a084a2f79d8283cc73e9e383c3408101756382dcc0132754449fe2910.jpg)  \n\n图2-3 (a) 透明超双疏改性导电玻璃；(b) 透明超双疏改性对导电玻璃ITO 和FTO 透光性的影响；(c) 导电玻璃ITO 和FTO 在涂层改性处理前后润湿性变化；(d) 自组装太阳能电池示意图；(e) 涂层改性处理前后太阳能电池I-V 曲线对比；(f)太阳能电池经过涂层改性处理前后、灰尘污染、去离子水清洁后光电转化效率对比  \n\n3. 制备自清洁型辐射制冷材料。使用 $\\mathrm{Al}_{2}\\mathrm{O}_{3}$ 颗粒对PVDF 膜进行预处理，并在表面覆盖纳米悬垂氧化硅结构，制备了具有超双疏性能的辐射制冷膜（SDRCfilm）。所制备的超双疏辐射制冷膜，具有大于 $155^{\\circ}$ 的十二烷静态接触角和低于 $7^{\\circ}$ 的滚动角。反射率光谱测试表明，SDRC 膜在太阳光能量最高处具有高反射率，平均反射率为 $92.01\\%$ ，大气透明窗口平均发射率为 $96.67\\%$ 。经户外实地测试，在太阳辐照最高的时期，SDRC 膜内凹槽温度比空气温度平均低 $6.45^{\\circ}\\mathrm{C}$ ，最高能低 $7.8^{\\circ}\\mathrm{C}$ ，比对照组隔热铝箔最高可低 $10.5^{\\circ}\\mathrm{C}$ ，具有优良的日间辐射冷却性能。  \n\n![](images/ad710b0e3f21d005d98eb1989b25a99a0954ada459cccdb20cdbd683d3ad2b1f.jpg)  \n图3-1 超双疏日间辐射制冷膜的构建策略  \n\n![](images/cede503ca85372d9b75293a9208fd2579cddbdc84ad72e794af654ff4682f659.jpg)  \n图3-2 超双疏辐射制冷膜在 $0.3\\mathrm{-}18~\\upmu\\mathrm{m}$ 区间内的反射率  \n\n![](images/0847be9da73c99b32d9b35279731a3dfaea7e8c0aeda4b249a602159c36bd5ae.jpg)  \n图3-3 (a) 原始PVDF 膜和超双疏辐射制冷膜的表面润湿性；(b) 不同表面张力液滴在原始PVDF 膜和超双疏辐射制冷膜上的接触角；(c) 不同表面张力液滴在超双疏辐射制冷膜上的滚动角；(d) 水滴在超双疏辐射制冷膜上的弹跳状态；(e) 橄榄油和十六烷在超双疏辐射制冷膜上的粘附性状态  \n\n![](images/3a7146cba95c5f0809297d06996de8a3c18bf37bb2aa573ba13a9b4fbc78c678.jpg)  \n图3-4 SDRC 膜日间制冷效果(a) 实时太阳光功率和日间测得的空气、铝箔和辐射制冷膜的温度数据； (b) 环境温湿度变化；(c) 铝箔和辐射制冷膜与空气的温度差",
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