创新超疏水微结构的物性与加工方法的研究(PPT22张)
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NCKU
五屆海峽兩岸機械工程技術交流會
創新超疏水微結構的物性與加工方法 的研究
成功大學機械系李森墉教授 (創意工程;工程分析;固力與振動) Tel:886-6-2757575ext.62150
機 械 工 程 學 系
NCKU
(一) 簡介
蓮花效應(Lotus Effect)-1/2
• • 蓮花：「出淤泥而不染，濯清漣而不妖」語出宋 朝周敦頤《愛蓮說》-- 蓮花具自潔能力 蓮花效應(Lotus Effect) 一詞是在1997年由德國植物 學家Barthlott與Neinhuis研究蓮葉表面現象時所創 造出的詞語。
機 械 工 程 學 系
-4-
NCKU
蓮花效應(Lotus Effect)-2/2
1.水珠在蓮葉表面上形成如球狀的高接觸角 (Contact Angle) 2.表面稍微傾斜，可讓水珠滾動並帶走表面髒污
機 械 工 程 學 系
-5-
NCKU
(二)蓮花結構(super-hydrophobic structures)
143.90 ±0.96 137.41 ±2.51
138.59 ±1.90
5.31 ±2.86 112.55 ±2.51
Lotus_cracked
x
24.86
PDMS
116.6
116.56 ±1.02
80.96 ±1.72
35.56 ±2.74
15 P 35D 5 105
165.4
164.71 ±2.17
機 械 工 程 學 系
-9-
NCKU
(五) 發展現 況(產業界與學術界)-1/2
目前研究方法 基於仿生(biomimicry)的概念 • 化學方式: 改變表面性質 析出、塗佈奈米顆粒 • 物理方式: 改變表面粗糙度 微機電製程: 蝕刻(Etching)、 微影技術(Lithography) 、轉印
機 械 工 程 學 系
-10-
NCKU
發展現 況(產業界與學術界)-2/2
仿生研究方法的錯失 (1)無法量產：(量產微結構主要方法是微轉印) a. 無法量產納米毫毛 b. 轉印微米凸狀結構時不易(air) c. 在轉印製造過程 模具 air 結構易產生破壞。 (2) 結構強度弱，施工性不足 (3) 工程上使用條件與 大自然者不同 翻模出的突柱狀結構
機 械 工 程 學 系
-14-
NCKU
研究方向與突破-(4/4)
實驗結果(3/4)
機 械 工 程 學 系
-11-
NCKU
(六) 研究方向與突破-(1/4)
創新的反自然蓮花結構
30°
θs 30° P
P
Da
Db
機 械 工 程 學 系
-12-
NCKU
接觸角 (Contact Angle)
液體和固體接觸的地方形成一個角度θ，靜態接觸角 定義為液滴在固體表面上濕潤所呈現的角度，並可 表示液滴於該表面的濕潤狀態。
1 2 3 4
百度文库
8
7
6 5
θa
θr
滑動角
m g s i n w ( c o s c o s) L V R A
θa α w mg
θr
機 械 工 程 學 系
NCKU
模具製造方法
1. 飛秒雷射加工 2. 機械加工(V-cut) 3. 微機電製程
機 械 工 程 學 系
NCKU
樣本製造
實驗樣本製作成型：
PDMS 主劑:PDMS 硬化劑 =10:1 攪拌均勻 PDMS覆蓋於模具，加熱 硬化
硬化後剝離模具
機 械 工 程 學 系
NCKU
水滴撞擊材料表面之動態量測實驗 水滴約5 μL大小，使水滴自由落下至表面，此時立 刻開啟拍攝儀器，即可觀測水滴撞擊表面瞬間的變 化。
Drop Syringe holder
High Speed Camera
Using software capture the image Sample
Light Source
機 械 工 程 學 系
NCKU
研究方向與突破-(2/4)
實驗結果(1/4)
尺寸符號 (deg) 前進角ACA(deg) 後退角RCA(deg) 遲滯值
Lotus
大於140
γLV γSL γSV
d E ( ) d x d x c o s S LS V L V Y
SV SL cosY LV
θY
水的表面張力為72 mN/m，其值代表為γLV液氣間界面 之表面張力。
機 械 工 程 學 系
NCKU
前進角與後退角(Advancing and receding contact angle)：
1. 表面具有5-15 mm大小的突柱狀(Pillar), 約60nm毫 毛之表皮細胞 (Epidermal Cell) 2. 表面上覆蓋一層約100 nm的蠟質結晶(Wax Crystal)
機 械 工 程 學 系
-6-
NCKU
具類蓮花結構之其他生物
• 約200種植物之樹葉: dahlia, rose, tulips, iris, asphodels, drosera, eucalyptus and gingko biloba. • 動物: water strider legs, butterfly wings, duck feathers, cicadas.
機 械 工 程 學 系
-7-
NCKU
(三)蓮花效應的特色
• 1. 防水 • 2. 具自潔能力 • 3. 固體與液體間為滑動邊界
機 械 工 程 學 系
-8-
NCKU
(四) 蓮花效應之產業應用
• • • • • • • 1. 太陽能熱水器、太陽能發電面板(-自潔) 2. 高樓大廈之表面/玻璃惟幕(-自潔) 3. 古蹟維護、家庭衛浴設備(-防水/自潔) 4. 高山防結冰結構: 纜車、輸配電塔、建築(-防水) 5. 機翼防結冰結構-飛航安全(-防水) 6.醫院/大廈之通風管路(-自潔) 7.低(水、空氣)阻力結構: 泳衣、防水衣、提高機翼 昇力、降低飛機失速(-滑動邊界) • 8.葉克膜 (ECMO)/洗腎機(-滑動邊界) • 9. 集水膜
155.32 ±1.40
9.39 ±3.57
15 P 60D 5 105
169.33
168.50 ±0.47
163.13 ±0.68
5.37 ±1.15
機 械 工 程 學 系
-13-
NCKU
研究方向與突破-(3/4)
實驗結果(2/4)
0 ms 9.8 ms
57.4 ms
69.6 ms
• 水滴反彈情形
五屆海峽兩岸機械工程技術交流會
創新超疏水微結構的物性與加工方法 的研究
成功大學機械系李森墉教授 (創意工程;工程分析;固力與振動) Tel:886-6-2757575ext.62150
機 械 工 程 學 系
NCKU
(一) 簡介
蓮花效應(Lotus Effect)-1/2
• • 蓮花：「出淤泥而不染，濯清漣而不妖」語出宋 朝周敦頤《愛蓮說》-- 蓮花具自潔能力 蓮花效應(Lotus Effect) 一詞是在1997年由德國植物 學家Barthlott與Neinhuis研究蓮葉表面現象時所創 造出的詞語。
機 械 工 程 學 系
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蓮花效應(Lotus Effect)-2/2
1.水珠在蓮葉表面上形成如球狀的高接觸角 (Contact Angle) 2.表面稍微傾斜，可讓水珠滾動並帶走表面髒污
機 械 工 程 學 系
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(二)蓮花結構(super-hydrophobic structures)
143.90 ±0.96 137.41 ±2.51
138.59 ±1.90
5.31 ±2.86 112.55 ±2.51
Lotus_cracked
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PDMS
116.6
116.56 ±1.02
80.96 ±1.72
35.56 ±2.74
15 P 35D 5 105
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(五) 發展現 況(產業界與學術界)-1/2
目前研究方法 基於仿生(biomimicry)的概念 • 化學方式: 改變表面性質 析出、塗佈奈米顆粒 • 物理方式: 改變表面粗糙度 微機電製程: 蝕刻(Etching)、 微影技術(Lithography) 、轉印
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發展現 況(產業界與學術界)-2/2
仿生研究方法的錯失 (1)無法量產：(量產微結構主要方法是微轉印) a. 無法量產納米毫毛 b. 轉印微米凸狀結構時不易(air) c. 在轉印製造過程 模具 air 結構易產生破壞。 (2) 結構強度弱，施工性不足 (3) 工程上使用條件與 大自然者不同 翻模出的突柱狀結構
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研究方向與突破-(4/4)
實驗結果(3/4)
機 械 工 程 學 系
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NCKU
(六) 研究方向與突破-(1/4)
創新的反自然蓮花結構
30°
θs 30° P
P
Da
Db
機 械 工 程 學 系
-12-
NCKU
接觸角 (Contact Angle)
液體和固體接觸的地方形成一個角度θ，靜態接觸角 定義為液滴在固體表面上濕潤所呈現的角度，並可 表示液滴於該表面的濕潤狀態。
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滑動角
m g s i n w ( c o s c o s) L V R A
θa α w mg
θr
機 械 工 程 學 系
NCKU
模具製造方法
1. 飛秒雷射加工 2. 機械加工(V-cut) 3. 微機電製程
機 械 工 程 學 系
NCKU
樣本製造
實驗樣本製作成型：
PDMS 主劑:PDMS 硬化劑 =10:1 攪拌均勻 PDMS覆蓋於模具，加熱 硬化
硬化後剝離模具
機 械 工 程 學 系
NCKU
水滴撞擊材料表面之動態量測實驗 水滴約5 μL大小，使水滴自由落下至表面，此時立 刻開啟拍攝儀器，即可觀測水滴撞擊表面瞬間的變 化。
Drop Syringe holder
High Speed Camera
Using software capture the image Sample
Light Source
機 械 工 程 學 系
NCKU
研究方向與突破-(2/4)
實驗結果(1/4)
尺寸符號 (deg) 前進角ACA(deg) 後退角RCA(deg) 遲滯值
Lotus
大於140
γLV γSL γSV
d E ( ) d x d x c o s S LS V L V Y
SV SL cosY LV
θY
水的表面張力為72 mN/m，其值代表為γLV液氣間界面 之表面張力。
機 械 工 程 學 系
NCKU
前進角與後退角(Advancing and receding contact angle)：
1. 表面具有5-15 mm大小的突柱狀(Pillar), 約60nm毫 毛之表皮細胞 (Epidermal Cell) 2. 表面上覆蓋一層約100 nm的蠟質結晶(Wax Crystal)
機 械 工 程 學 系
-6-
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具類蓮花結構之其他生物
• 約200種植物之樹葉: dahlia, rose, tulips, iris, asphodels, drosera, eucalyptus and gingko biloba. • 動物: water strider legs, butterfly wings, duck feathers, cicadas.
機 械 工 程 學 系
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(三)蓮花效應的特色
• 1. 防水 • 2. 具自潔能力 • 3. 固體與液體間為滑動邊界
機 械 工 程 學 系
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(四) 蓮花效應之產業應用
• • • • • • • 1. 太陽能熱水器、太陽能發電面板(-自潔) 2. 高樓大廈之表面/玻璃惟幕(-自潔) 3. 古蹟維護、家庭衛浴設備(-防水/自潔) 4. 高山防結冰結構: 纜車、輸配電塔、建築(-防水) 5. 機翼防結冰結構-飛航安全(-防水) 6.醫院/大廈之通風管路(-自潔) 7.低(水、空氣)阻力結構: 泳衣、防水衣、提高機翼 昇力、降低飛機失速(-滑動邊界) • 8.葉克膜 (ECMO)/洗腎機(-滑動邊界) • 9. 集水膜
155.32 ±1.40
9.39 ±3.57
15 P 60D 5 105
169.33
168.50 ±0.47
163.13 ±0.68
5.37 ±1.15
機 械 工 程 學 系
-13-
NCKU
研究方向與突破-(3/4)
實驗結果(2/4)
0 ms 9.8 ms
57.4 ms
69.6 ms
• 水滴反彈情形