文档介绍：关于超疏水表面的基本介绍及其制备
【摘要】超疏水表面材料具有防水,防污,可减少流体的粘滞等优良特性,是目前功能材料研究的热点之一。其中关于超疏水表面材料性能的研究及其制备是关键,从微观角度对其性能的说明,介绍和评述超疏水的制备方法,并对该领域的发展进行了展望。
【引言】尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应,但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代,德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构,认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析,发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构,这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。自从 Onda等1996年首次报道在实验室合成出人造超疏水表面以来,这引起了研究人员的广泛兴趣。总体来说,目前的研究主要集中以下几个领域:1)研究自然界中具有超疏水表面的植物和动物,为开发具有新型表面结构的材料提供灵感。2)使用无机物或在金属表面制备具有超疏水性表面的材料。3)使用高分子材料制备具有超疏水性的表面。4)理论研究,主要是通过构建模型以探讨表面结构状况与接触角或滚动角的关系。
超疏水表面一般可以通过两类技术路线来制备:一类是在低表面能的疏水材料表面上构建微米纳米级粗糙结构;另外一类是用低表面能物质在微米纳米级粗糙结构上进行修饰处理。其中,制备合适微米纳米级粗糙结构的方法是相关研究的关键。从制备方法来说,主要有蒸汽诱导相分离法、模板印刷法、电纺法、溶胶凝胶法、模板挤压法、激光和等离子体刻蚀法、拉伸法、腐蚀法以及其他方法。在此对各种制备方法进行分类评述。
【超疏水表面特性】根据水在固体表面的浸润程度,固体可以分为亲水性和疏水性,所谓超疏水(憎水)表面一般是指与水的接触角大于150度的表面。对于一个疏水性的固体表面来说,当表面有微小突起的时候,有一些空气会被“关到”水与固体表面之间,导致水珠大部分与空气接触,与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形,其接触角可达150度以上,并且水珠可以很自由地在表面滚动。只有拥有较大的接触角(CA>150和较小的滚动角(SA<10)的表面才是真正意义上的超疏水表面。所谓接触角,就是液滴在固体表面形成热力学平衡时所持有的角。通过液体-固体-气体接合点中水珠曲线的终点和固体表面的接触点测定出来。滚动角可作为评价表面浸润性的另一指标,指的是一定质量的液滴在倾斜面上开始滚动的临界角度。滚动角越小,固体表面表现出的疏水性越好。因为地球的重力作用,水滴在倾斜的固体表面有下滑的趋势。随着固体倾斜角的变大,水滴沿斜面方向的下滑分力也在不断增大,当倾斜角增大到某一临界角度时,水滴会从固体表面滑落下来,这时的临界角就是水在此种固体表面的滚动角。滚动角越小,固体表面的超疏水性能越好。
接触角三大理论
杨氏方程(1805年)
Wenzel’s Theory(1936年):
Cassic’s Theory(1944年):cos qC = fs cos qs + fv cos qv
qs = q, qv = 180°
fs + fv=1
cos q C= -1+fs (cos q + 1
研究表明,材料的表面能与表面结构