荷叶表面超疏水性的研究及仿生资料
NANCHANG UNIVERSITY
课程论文
课程：微机电系统
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荷叶表面超疏水性的研究及仿生
（南昌大学，机电工程学院，江西南昌330031）引言：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。在化学模拟生物体系的研究中，超疏水性表面是近年来比较活跃的领域之一。研究超疏水性表面对深入认识自然界中具有疏水性植物和设计新的高效纳米薄膜具有重要的作用。同时它在工业生产和人们的日常生活中有着极其广阔的应用前景。例如，它可以用来防雪、防污染、防腐、抗氧化以及防止电流传导和自净等。
本文中关于超疏水表面微观形貌与润湿性能的关系进行研究，从微观角度对其性能的说明，介绍和评述构造微观形貌的构造或加工方法，并对该领域的发展进行了展望。
关键词：超疏水性；纳米结构；自清洁；仿生
Preparation and Research of Super Hydrophobic Surfaces
（School of Mechatronics Engineering，Nanchang University，Nanchang
330031,China）
Abstract：Super hydrophobic surfaces show good performance in self-cleaning and antifouling due to their micro and nano structures. Inspired by the similar structures in nature , such as lotus leaves , and butterfly wings , the focus of research in super hydrophobic materials is not only to mimic biological structures，but also to generate materials with flexibility in both structural design and material composition. The goal is to develop super hydrophobic materials that are robust and tolerant to high temperature or harsh environment. Such materials have broad applications in national defense, industrial process, agriculture, and health care. At the same time, it has a very wide application prospect in industrial production and people's daily life. For example, it can be used to prevent snow, pollution prevention, anti-corrosion and prevent the current conduction and self purification. This paper will introduce the principle of super hydrophobic material and the synthesis of such materials. Recent research and future application of such materials will also he discussed in the paper.
Key words: super hydrophobic；nano structure；self-cleaning；bioinspired
1. 超疏水原理及表面特性
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。一个真正意义上的超疏水表面既要有较大的静态接触角，同时更应该具有较小的滑动角。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。
1.1 光滑表面的Y ang 氏方程
表面张力：分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，所以有净吸力存在，致使液体表面的分子有被拉入液体内部的倾向，所以任何液体表面都有自发缩小的倾向，这是液体表面表现出表面张力的原因。
广为接受的光滑表面上的Yang
氏方程描述了固液气三相界面上液体对固体的本征静态接触角和三相间的表面张力的关系：
、 、 分别为固气、固液、气液间的见面张力
1.2 粗糙表面的Wenzel 方程（1936年）
sg sl lg cos =r r /r （- ）sg
r sl r lg r
图1.2 平衡状态下，液滴接触角与界面张力的关系
Wenzel 发现表面的粗糙结构可增强表面的浸润性,认为这是由于粗糙表面上的固液实际接触面积大于表观接触面积的缘故。可用表面粗糙因子（r ）衡量,其值为表面的实际面积与几何投影面积之比。
1.3 粗糙表面的Cassie 方程（1944年）
f 为水与固体接触的面积与水滴在固体表面接触的总面积之比
Cassie 发展了Wenzel 理论，假定水与空气的接触角为180°，提出粗糙的低表面能表面具有超疏水性的机理,用以描述水在粗糙固体表面上的接触角θc 。
2. 植物叶表面微观形貌
如图2.1为超疏水的荷叶表面结构（a ）球形的水滴在荷叶的表面：（b ）荷叶表面大面积的微结构：c ）荷叶表面单个乳突：（d ）荷叶背面的纳米结构。
图2.1超疏水的荷叶表面结构
通过观察植物叶片表面的微观结构,认为荷叶效应是由粗糙表面上双层结构的微凸体及其表面蜡状物共同作用的结果。认为,疏水植物表面的粗糙度会降低其润湿性,与相同组成的光滑表面相比,水滴的接触角更大。
图2.2 荷叶的SEM照片：a 为荷叶的整个表面的形貌图：b 为荷叶表面的放大图
由图a可以看出,荷叶表层均匀分布了大小5 —9μm 的微凸体,从图a 的插图中可以发现这些表层微凸体是由一些更小的棒状结构材料堆积而成。由图b 可以进一步看到,这些微米级的微凸体下面还分布了一些大小很均匀的纳米微凸体,其插图显示了这种纳米结构材料为直径50 —70nm的棒状结构。水滴在荷叶表面的接触角和滑动角分别为161.0°±2.5°和2-5°。荷叶这种双层的微纳米结构可以很有效地阻止荷叶下层被润湿,这一点对其超疏水性起着至关重要的作用。
3. 表面结构与润湿性的关系3.1 润湿性
润湿性是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性。固体的润湿性用接触角表示，当液滴滴在固体表面时，润湿性不同可出现不同形状。液滴在固液接触边缘的切线与固体平面间的夹角称为接触角。接触角最小为0°，最大为180°。接触角越小，则粉体的润湿性越好。
3.2 湿润性的测量方法
测量润湿性的方法很多，按测量目的的不同可分为两大类，即定性方法和定量方法。其中定量方法主要有接触角法、渗吸与排驱法和USBM方法。定性测量方法种类很多，包括渗吸率、显微镜检测、浮选法、玻璃滑动法、相对渗透率曲线法、渗透率与饱和度关系曲线、毛管压力曲线、毛细测量法、排驱毛管压力、油藏测井曲线、核磁共振法以及染色吸附法。
3.3 固体表面张力与表面自由能
固体表面润湿性由表面的化学组成和微观几何结构共同决定。而表面张力表面自由能是固体表面润湿性研究和应用的理论基础。
表面张力、表面过剩自由能是描述物体表面状态的物理量。表面层里的液体分子都受到指向液体内部的引
力作用，因此，要把液体分子从内部移到表面层中，必须克服这种引力做功，所做的功变成分子势能。这样，位于表面层内的液体分子，比起内部的液体分子，具有较大的势能。表面层中全部分子所具有的额外势能总和，称为表面能。表面能是内能的一种形式，液体的表面越大，具有较大势能的分子数越多，表面能就越大。
液体表面或固体表面分子与其
内部分子的受力情形是不同的，因而所具有的能量也是不同的。以液体为例，如图3.3所示，处在液相内部的分子，四周被同类分子所包围，受周围分子的引力是对称的，因而相互抵消，合力为零;处在液体表面的分子则不然，因为液相的分子密度远大于气相的分子引力，致使合力不再为零，而是具有一定的量值且指向液相的内侧。由于这个拉力的存在，使得液体表面的分子，相对于液体内部分子处于较高能量态势，随时有向液体内部迁移的可能，处于一种不稳定的状态。液体表面分子受到的拉力形成了液体的表面张力，相对于液体内部所多余的能量，就是液体的表面过剩自由能。由于表面张力或表面过剩自由能的存在，在没有外力作用时，液体都具有自动收缩成为球形的趋势，这是因为在体积一定的几何形体中球体的表面积最小。系统处于稳定平衡时，势能应为最小。因此，一定质量的液体，其表面要尽可能收缩，使表面能成为最小。
图3.3 液体表面、内部分子的能量
3.4 表面结构与接触角的关系
人们在研究如何构造超疏水性表面的同时,也在积极探讨超疏水性表面中表面结构和接触角的关系,希望这种理论的研究能为我们今后设计和构造超疏水性表面提供一定的理论基础和实际指导。
McCarthy 小组研究了超疏水性表面中形貌长度范围对其润湿能力的影响。他们通过影印平版术和使用硅烷化试剂制备了一系列疏水性不同的硅表面，并研究了它们的润湿能力。他们发现表面结构中三维接触线的结构在润湿能力中扮演很重要的角色，当粗糙表面上正方矩的X2Y维等于或小于32μm时,表面表现出超疏水性，并具有较小的滑动角。
Bikerman 等研究了不同粗糙度的不锈钢表面与水滴滑动角的关系，它们之间的接触角在90°左右。他们实验得出表面粗糙度对水滴的滑动起阻碍作用，即不锈钢的表面粗糙度越大，水滴在其表面上的滑动角就越大。Johnson 等从理论上讨论了表面粗糙度对前进角和后退角的影响。他们认为，在较低的表面粗糙度接触区，疏水表面上出现的滞后现象是随着表面粗糙度的增加而增加的；但在较高表面粗糙度接触区，情况恰恰相反。Nakajima等在研究仿生超疏水性表面过程中发现，表面结构对接触角和滑动角有非常大的影响，形成较高针状物的表面具有较大的接触角和较低的滑动角。同时他们认为，粗糙表面捕获的空气对于一个具有很小滑动角的表面扮演了一个很重要角色，这一点在Cassie等提出的公式中也能得到印证。而且他们认为，在疏水性较高的区域，水滴的滑动角随接触角的增大而减小，而接触角大小主要依赖于表面粗糙度的大小。
Nakajima 小组通过含氟聚合物制备出了不同表面粗糙度含纳米TiO2 的超疏水性薄膜，研究了滑动角、接触角和表面粗糙度三者的关系。结果表明，水滴的滑动角随接触角的增大而减小。所有证据都表明，表面结构所包覆的空气对于表面具有低的滑动角扮演了重要的角色。Dupuis 等采用晶格-玻尔兹曼运动公式来描述水珠在已图案化的基底上的扩展行为，他们把它运用在模拟表面具有整齐排列微米凸体的超疏水行为，发现接触角是随表面光刻程度的增加而增大。
Whitesides 等通过微机械加工和分子自组装(MSA) 研究了表面上0.1 —1mm 范围内润湿能力的操作。微机械加工可以使裸金表面形成微米体积大小的区域，这种表面上也能形成一层烷基硫醇的自组装单分子膜，第二层自组装单分子膜在微机械化后的表面上形成,剩余的微机械化的裸金表面暴露在二烃基二硫化物的溶液中。在第一层SMA 中形成HS(CH2 ) 15COOH 的亲水层，在亲水层上面形成一层MSA 的[CH3 (CH2 ) 11 S]2 疏水层，这样就可以在亲水表面上构建疏水的微米线群，这种微米线群能够提供新功能表面结构，可以控制液滴的形状。Onda等[把水滴在超疏水性表面用分析维数来表示，研究了接触角与分形范围之间的关系，发现当这些分形表面是由疏水材料构成时，这些表面出现超疏水现象。
4. 微观形貌的构造及加工方法
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。
4.1 蒸汽诱导相分离法
在一定条件下，高分子溶液在溶剂蒸发过程中，溶液热力学状态不稳定，高分子链间易发生自聚集，形成高分子聚集相。当高分子链聚集到一定程度时，高分子聚集相间发生相分离过程，并形成具有微米纳米级粗糙结构的表面，这种制膜方法被称为蒸汽诱导相分离法。例如: Zhao 等将溶解于二甲基甲酰胺( DMF)的聚苯乙烯- b-二甲基硅氧烷共聚物( PS-b-PDMS) 在相对湿度为60% 的环境下涂布，得到水接触角(WCA)为163°的超疏水表面。在该研究中，DMF为PS- b-PDMS 的选择性溶剂, 其中PS可以溶解于DMF 中，而PDMS不溶，PS-b-PDMS 在DMF 中形成胶束。在潮湿环境下，可发生蒸汽诱导相分离过程，形成多相结构，并在表面形成微米-纳米粗糙结构。PDMS表面能低，容易在表面富集，可以得到超疏水表面。
蒸汽诱导相分离法原料来源广泛、工艺简洁、成本低、所制备表面大小不受限制等优点，但可能存在膜强度不够好的缺点。
4.2 模板印刷法
Sun 等使用荷叶作为原始模板
得到PDMS的凹模板，再使用该凹模板得到PDMS 凸模板，该凸模板是荷叶的复制品，它与荷叶有同样的表面结构，因此表现出良好的超疏水性和很低的滚动角。该工艺类似于“印刷”因此称为模板印刷法。Lee 等用金属镍来代替PDMS，获得竹叶的凹模板。再在金属镍凹模板上
使用紫外光固化的高分子材料复制，得到类似竹叶的复制品( 图4.2) ，该复制品具有超疏水能力。金属镍模板更耐磨、刚性更好、更易准确复制。另外, Lai 等通过光催化印刷法在TiO2 纳米管膜上获得超亲水-超疏水的方法也很有价值。模板印刷法是一种简洁、有效、准确、便宜、可大面积复制的制备方法。有望成为实用化制备超疏水材料的重要方法。
4.3 电纺法
江雷等通过一种简单的电纺技术，将溶于DMF溶剂中的PS 制成具有多孔微球与纳米纤维复合结构的超疏水薄膜(图4.3) 。其中多孔微球对超疏水性能起主要作用，纳米纤维起固定多孔微球的作用，该膜的WCA达到160.4°。
Ma等通过电纺法得到PS-g-PDMS和PS共纺的无纺布(图
4.4) 。由于PDMS 在纤维表面富集，并且纤维尺寸为150~ 400nm, 因此，该无纺布WCA 可达到163°。该纤维透气性好、柔韧、超疏水等优点使它在纺织和生物领域有很大的应用价值。
具有超疏水性的纤维在服装或无纺布方面有很大的潜在应用价值, 电纺法无疑是一种很有潜力的方法。
4.4 溶胶-凝胶法
溶胶凝胶法就是用含有高化学活性组份的化合物作前驱体进行水解得到溶胶后使其发生缩合反应，在溶液中形成稳定的凝胶，最后干燥凝胶。溶剂去除后，有时留下一些微纳米孔，这些微纳米孔结构赋予材料某些特殊性能，包括超疏水性。如有机硅气凝胶，由于孔结构发达使它具有非常高的比表面积、已知材料中最低的密度、非常低的导热系数以及其他特性，因此它被称为“第四代材料”。有些方法制备的有机硅气凝胶还具有超疏水功能。
溶胶-凝胶法对于无机超疏水材料如ZnO、T iO2和Al2O3的制备具有一定的优势,但存在着工艺路线较长、有溶剂污染和成本较高等缺点。4.5 模板挤压法
模板挤压法就是使用孔径接近纳米级的多孔氧化铝膜作为模板，将溶解于溶剂的高分子滴于其上，干燥后得到超疏水表面。通过模板挤压法用亲水性聚乙烯醇材料制备了超疏水表面，接触角可以达到171. 2°。这可能是由于聚乙烯醇分子在纳米结构上发生重排，使得疏水烷基基团向外，亲水羟基基团向内并形成分子间氢键，体系表面能降低造成的。
通过模板挤压法制备了超疏水阵列聚苯乙烯纳米管膜。该膜不但有超疏水特性,还具有对水超强的高粘滞力,甚至水滴完全反转都不掉落,类似“壁虎脚”(图4.5)
4.6 激光和等离子体刻蚀法
在室温环境下用CO2脉冲激光处理聚二甲基硅氧烷（PDMS），其表面的WCA高达175°可能的原因为在激光处理后，PDMS表面产生多孔结构，PDMS 的分子链排列规整。在氧气气氛下用等离子处理LDPE膜，然后再在CF4气氛下用等离子处理，获得透明度高的超疏水LDPE膜。但该类方法存在仪器昂贵、成本高、得到超疏水表面积有限等缺点。4.7 拉伸法
通过拉伸聚四氟乙烯膜Teflon膜得到表面带有大量孔洞的纤维，从而获得超疏水膜。另外，在拉伸尼龙膜时证实，微观结构为三角形网状结构的尼龙膜具有超疏水特性，但双向拉伸后，尼龙膜由超疏水转变为超亲水，与水的接触角从151. 2°变为0°(图4.7) 。这估计是三角形网状结构的尺寸在拉伸后发生变化造成的。拉伸法简单、成本低、可获得面积大的超疏水表面，值得更多的研究。
4.8 腐蚀法
使用低表面能物质修饰铝合金，得到具有超疏水性的金属表面。另外，对金属铜、锌表面进行化学腐蚀处理，也获得了具有超疏水性的金属表面。另外，有些方法类似于腐蚀法，即通过一种手段除掉某一部分。在清洁的玻璃片上涂上聚苯乙烯（PS）水性悬浮液，120 ℃烘干，得到布满相互有些粘结的PS纳米级微球的玻璃片。滴一滴0. 5 mol/ L 的Fe (NO3 ) 3溶液于其上，Fe (NO3)3溶液渗入PS纳米级微球的缝隙。最后，将样400℃下烧结2h ,使PS模板挥发Fe (NO3)分解形成
的Fe 2O 3构成纳米柱状结构（图4.8）
4.9 其他方法
制备超疏水表面还有一些其他方法。将多孔聚氨酯片浸入粒径约200nm 的聚苯乙烯悬浮液中，干燥后该聚氨酯片具有超疏水性和超亲油性，可以
作为油水分离器（图4.9）。电化学法也是常用方法之一。使用模板法和电化学沉积法制备了微观结构类似玫瑰花的超疏水表面。使用一步电沉积的方法在导电玻璃基底上制备了具有疏水性能的ZnO 薄膜，该膜在紫外光照射下可转变成亲水性薄膜。
5. 展望
有关超疏水性表面的研究近几年有较多的报道，成为各学科发展的热点之一。但目前有关超疏水表面的制备方法的种类并不多，且过于依赖精密的仪器设备和复杂的化学物质，可供使用的基底还有限，不能够规模化生产。另外，对仿生超疏水性表面的结构与疏水性之间的关系以及动力学还没有系统研究。因此，今后的研究将在以下几个方面进行：实现在广泛的工程材料表面的超疏水性；发展制备超疏水性表面的有效方法；扩展超疏水性表面的应用领域。
人工制备超疏水表面虽然时间不长,但发展特别迅速，好的制备方法也越来越多，随着研究的深入，会有更多的制备方法出现。目前，本领域的研究可以朝实用化和产业化方向发展。另外，还可以扩宽研究的领域，如开发超疏水超疏油表面材料、超疏水超亲油材料、超疏水吸油材料、疏水气凝胶以及带有其他功能的超疏水材料等。
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涂料的荷叶效应机理
很久很久以来，优化的自洁功能已在自然界存在，荷花叶子就是其中的代表。荷叶表面具有很好的憎水性，并实际上是不能润湿的，它还是出淤泥而一尘不染。经研究发现，荷花叶子之所以具有以上性能，是因为叶子表面既憎水，又有一个显微结构。 荷叶自洁效应： v 荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基OH-、氨基NH-等极性基团，在自然环境中应该很容易吸附水分或污渍。但荷叶叶面却呈现具有极强的拒水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”。 荷叶的微观结构： v 通过扫描电子显微镜图像，可以清晰地看到，在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”（每两个小山包之间的距离约为20－40μm）在山包上面长满了绒毛，在山包顶又长出了一个个馒头状的“碉堡”凸顶。整个表面被微小的蜡晶所覆盖（大约200nm－2μm）。 因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触，由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透，而能自由滚动。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是"荷叶效应"能自洁叶面的奧妙所在。本文来自：https://www.360docs.net/doc/8115071803.html, 中国新型涂料网 荷叶表面的电镜扫描图： 表面润湿原理： v 当雨滴接触荷叶表面时，荷叶表面和雨滴同时被周围的空气所包围。这样就有三种物质互相接触，固体，液体和气体。这三种物质的边界作用决定了水滴的形状和液体如何在固体表面散开，也就是如何润湿固体底面。对亲水性的粗糙表面，越粗糙越易被润湿，对疏水性表面，越粗糙越不易被润湿。 v 粗糙的疏水表面使水不能进入叶子内部，仅在叶面形成水珠，水和叶子表面间的接触面积只有2%～3%，从而降低两者间的摩擦力，使水滴极易从叶面滚落而不沾污叶面，表现出良好自洁性。当液面沾有尘埃等固体微粒时，尘埃能被水润湿，沾污在水滴上，并随水滴的滚落而被洗掉。即使是疏水性污垢，也由于其与叶面上凸起部分的接触面积极小，使水和油污的黏着力大于叶面凸起部分上蜡晶与油污间的黏着力，而易于随水滴的滚落而被洗去。 v 如果表面是光滑的，则灰尘微粒能够更强地贴附在完全光滑的表面而不是水滴表面，滴落的水滴只是把它稍微推到一边。但是，如果表面是粗糙的，则灰尘将会更好的贴附于水滴
超疏水表面的制备方法及应用的研究进展
超疏水表面的制备方法及应用的研究进展 摘要：在材料科学发展日新月异的今天，超疏水表面一直是材料研究的重点， 并在军事、工业、民用方面具有极高的应用前景。而润湿性是决定材料疏水性的 关键所在，如何降低润湿性是提高材料疏水性的主要手段。本文简单介绍了表面 润湿性的基本理论，综述了超疏水表面的制备方法，及其相关应用的研究进展。 关键词：超疏水表面;润湿性;微/纳米结构 1.引言 在自然界中，许多生物都有着特殊的表面结构，而其中植物叶片的表面结构 因其特殊的性质引起了人们极高的兴趣。而在植物叶片中，荷叶叶片上表面的特 殊性质又极为明显，荷叶的表面不均匀且大量地分布着平均直径在5~9微米的乳突，而乳突又是由许多的平均直径在121.1~127.5纳米的纳米分支结构组成。除 此之外，我们还可以发现在荷叶的下一层表面中还存在着纳米级的蜡晶。通过蜡 晶结构与乳突组成的微纳结构，成功地减少了叶面与液体的接触面积。与此同时，通过微纳结构，荷叶也减少了与脏污的接触，便于脏污被带走，这就是荷叶叶片 所表现出的自清洁性。而溯其根本，自清洁性又是超疏水性的一个表现。自然界 中还有很多动植物的表面有超疏水的性质，例如在水面自由移动的水蛭。为了这 些动植物的研究，是人们对于超疏水表面的认识更加深入，这对于制备功能材料 具有很好的意义。 润湿性是影响超疏水性质的关键，是指某种液体在一个平面上的延展，覆盖 的能力。假设有一液面铺展在一平面上，气、液、固三种物质接触于同一点处。 气-液界面的切线与固-液接触面的夹角为θ，称θ为接触角。为了方便判定，通 常以水与固体表面的接触角θ的大小来判断润湿性，并区分亲疏水表面。当θ大 于150?时，该表面被称为超疏水表面；当θ大于90°时，被称为疏水表面；当θ 小于90°时，被称为亲水表面；当θ小于10°时，被称为超亲水表面。其中，90° 作为亲水与疏水的分界。 假设有一理想的平滑均匀平面，没有任何粗糙介质，则表面接触角θ满足杨 氏方程： 图1两种粗糙表面的润湿模型：Wenzel模型和Cassie模型 近年来，由于超疏水表面在日常生活中及工业生产等方面有极高的价值，超 疏水表面的制备及相关应用研究日益增多，本文主要综述超疏水表面的制备方法 与其相关应用。 2超疏水表面的制备方法 固体表面的润湿性主要由两个因素决定：表面的粗糙程度和表面能。目前常 见的制备方法有刻蚀法、模版法、气相沉积法、电纺法、溶胶-凝胶法、机械拉伸、相分离法等等。但以这种方法分类并不能准确而直观的表明其制备方法的本质依据。根据润湿性的影响因素，制备方法可大致分三类：赋予低表面能物质表面适 当的粗糙结构，对粗糙表面进行表面改性以降低表面能和降低表面能同时增加粗 糙程度。 2.1赋予低表面能物质粗糙结构 赋予低表面能物质粗糙结构大致而言，就是在低表面能物质表面构造微观结构，这种方法制备的超疏水表面具有可控性强、稳定性好的性质。
荷叶效应原理介绍与应用
仿生荷叶材料 1120125123 谢先格 20世纪70年代，波恩大学的植物学家巴特洛特在研究植物叶子表面时发现，光滑的叶子表面有灰尘，要先清洗才能在显微镜下观察，而莲叶等可以防水的叶子表面却总是干干净净。他们发现，莲叶表面的特殊结构有自我清洁功能。莲花出污泥而不染，自古以来就被人们认为是纯洁的象征，所以这一自我清洁功能又被称为“荷叶效应”。 一、基本概念及原理 荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基OH-、氨基NH-等极性基团，在自然环境中应该很容易吸附水分或污渍。但荷叶叶面却呈现具有极强的拒水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的"荷叶自洁效应"。 通过扫描电子显微镜图像，可以清晰地看到，在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”（每两个小山包之间的距离约为20－40μm）在山包上面长满了绒毛，在山包顶又长出了一个个馒头状的“碉堡”凸顶。整个表面被微小的蜡晶所覆盖（大约200nm－2μm）。 因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几
个点接触，由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透，而能自由滚动。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是"荷叶效应"的奧妙所在。 二、应用领域 模仿莲叶自洁的功能，可以应用于表面纳米结构的技术，可开发出自洁、抗污的纳米涂料。有些纳米涂料里渗有二氧化钛的物质。将二氧化钛等纳米微粒加到衣服的纤维里头可使普通的衣服化身为可防震、除臭、杀菌，最重要的是自洁。海岛型气候的地区由于气候湿热，更需要这种东西。 在自然界这个小小的圈子里，藏着大大的惊奇。有许多事情要试着去接近、感受它，才能得到更多的知识。我们先了解到自然界中许多的生物在人类的科技进步之前早就有了微观的构造，从公分、公厘、甚至达到微米、纳米，而在莲叶上我们找到了纳米级的细微结构。这种细小的突起物，使得水珠不易吸附在莲叶上。当叶面倾斜到一定角度时，水珠会沿着叶面滑落并带走上面的污染物，达到自洁的效果。这种特性也可以应用在玻璃上，例如：经过纳米处理的玻璃本身也具有自洁的效果，这就可以运用在战机的雷达上。最近许多厂商也利用纳米技术处理涂料，物体涂上此涂料也将拥有自洁的效果。当这项技术普及化后，世界也将会改观。不会脏的地板、墙壁、和没有灰尘阻挠的无线电用品，将会不断的出现，人类的生活也会更加进步。 莲叶效应描绘了一个很有效的生物模型系统，用它可以来制作人工的防污表面，因为它基于一个纯物理化学的原理。有许多的领域和方面需要这种应用，如衣料的外表面、房顶、自动喷漆器等等。如果可以使得这些领域的自清洁功能得以实现，显然会带来很多好处，而且可以节省清洁花费的费用。在工业合作中，目前正在努力将莲叶效应转化成实际的技术应用。虽然肯定还需要耗费一些时间，但是肯定迟早会有这种实用的产品
超疏水性材料
揭秘超疏水性表面 哈工大报讯（潘钦敏）[编者的话] 宋代周敦颐在《爱莲说》中写道“予独爱莲之出淤泥而不染”。一千年后的今天，人们已经可以从科学的角度解释莲这种“出淤泥而不染”的特性。与之相关的“仿生超疏水性表面”的研究已成为化学模拟生物体系研究中的一个新领域。本期，化工学院副教授潘钦敏为我们揭开“超疏水性表面”的神秘面纱。 浸润性是固体表面的重要特征之一,它由表面的化学组成和微观形貌共同决定。超亲水和超疏水特性是表面浸润性研究的主要内容。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。人们对超疏水表面的认识，主要来自植物叶——荷叶表面的“自清洁”现象。比如，水珠可以在荷叶的表面滚来滚去，即使在上面浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。荷叶这种出污泥而不染的特性被称作“自清洁”效应。 荷叶效应——超疏水性原理 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。 为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？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。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。 自然界里具有“自清洁”能力的植物除了荷叶之外，还有水稻、芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种“自清洁”效应除了保持表面的清洁外，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。因为即使有病原体到了叶面上，一沾水也就被冲走了。所以象荷花这样的植物即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。 超疏水表面制备方法 人们知道荷叶自清洁效应已经很多年了，但是很长的时间内却无法做出荷叶那样的表面来。通过对自然界中典型的超疏水性表面——荷叶的研究发现，在低表面能的固体表面构建具有特殊几何形状的粗糙结构对超疏水性起重要的作用。基于这些原理，科学家们就开始模仿这种表面。现在，关于超疏水粗糙表面的研制已有相当多的报道。一般来说, 超疏水性表面可以通过两种方法来制备：一种是在疏水材料表面上构建粗糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。比如材料学家们可以通过表面处理仿生制备了碳纳米管阵列、碳纳米纤维、聚合物纳米纤维等多种超疏水性表面。关于超疏水表面的研制方法总结起来主要有：熔融物的固化、刻蚀、化学气相沉积法、阳极氧化法、乳液聚合、相分离法以及模板法等。但是这些方法涉及复杂的化学物质和晶体生长，实验条件比较苛刻，成本高，还不能进行工
新型功能材料发展趋势
新型功能材料发展趋势 功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料。 功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。 1989年美国200多位科学家撰写了《90年代的材料科学与材料工程》报告，建议政府支持的6类材料中有5类属于功能材料。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等
超疏水表面的制备方法_石璞
功 能 高 分 子 学 报Journal of Fu nctional Polym ers Vol.21No.22008年6月 收稿日期:2008-03-10 基金项目:国家自然科学基金(10672197) 作者简介:石 璞(1976-),男,安徽安庆人,讲师,在读博士,研究方向:生物医学材料。E -m ail:s hipu1976@https://www.360docs.net/doc/8115071803.html, 通讯联系人:陈 洪,E -mail:ch enh ong cs@https://www.360docs.net/doc/8115071803.html, 综 述 超疏水表面的制备方法 石 璞1,3, 陈 洪2, 龚惠青3, 袁志庆1, 李福枝3, 刘跃军3 (1.中南大学粉末冶金研究所,长沙410083; 2.中南林业科技大学,长沙410004; 3.湖南工业大学包装新材料与技术重点实验室,湖南株洲412008) 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。其中超疏水表面的制备方法是研究的关键点。介绍和评述超疏水表面的制备方法, 对该领域的发展方向进行了展望。 关键词: 超疏水;表面;制备方法 中图分类号: O647 文献标识码: A 文章编号: 1008-9357(2008)02-0230-07 Methods to Prepare Superhydrophobic Surface SH I Pu 1,3, CH EN H ong 2, GONG H u-i qing 3, YUAN Zh-i qing 1, LI Fu -zhi 3, LIU Yue -jun 3 (1.Institute o f Pow der M etallurgy ,Central South U niv ersity ,Chang sha 410083,China; 2.Central South University of Forestry and Technology ,Changsha 410004,China; 3.Key Laboratory of New Material and Technology for Package,Hunan University of Technology ,Zhuzhou 412008,Hunan,China)Abstract: Superhydr ophobic m aterials have received tremendous attention in recent year s because of its special proper ties such as w ater -proof,ant-i po llution,reduction resistance o f flow ing liquid,etc.It beco mes ho tspo t research in functional m aterial field,and the preparation m ethods to acquir e excellent superhydropho bic surface are key to the r esearch.Repr esentative articles in r ecent years about prepar ation methods are review ed in this article.T he prospect of dev elo pments is proposed. Key words: super hy drophobic;surface;preparation methods 自从Onda 等[1]1996年首次报道在实验室合成出人造超疏水表面以来,超疏水表面引起了研究人员的广泛兴趣。总体说来,目前的研究主要集中在以下几个领域:(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。高雪峰和江雷[2]、冯琳[3]、郭志光[4~5]等的论文中有详细的描述和精美的电镜照片。(2)使用无机物[6]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[7~11],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。关于超疏水表面的基本理论,金美华的博士论文[38]有详细论述。 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。 230
表面微细结构制备超疏水表面
评 述 第49卷 第17期 2004年9月 表面微细结构制备超疏水表面 郑黎俊 乌学东* 楼 增 吴 旦 (上海交通大学化学化工学院, 上海 200240. * 联系人, E-mail: xdwu@https://www.360docs.net/doc/8115071803.html, ) 摘要 超疏水是指固体表面上水的表观接触角超过150?的一种特殊表面现象, 本文从热力学角度评述了导致超疏水状态的两种理论模型: Wenzel 模型和Cassie 模型, 讨论了表面微细结构对超疏水状态的影响以及Wenzel 和Cassie 两种状态之间的内在联系. Wenzel 和Cassie 是两种可以同时共存的超疏水状态, 在一定条件下可以实现从Cassie 到Wenzel 状态的不可逆转变, 而这两者在接触角滞后中表现出截然不同的性质. 概括和总结了通过设计表面微细结构来达到超疏水表面的制备策略, 并对超疏水表面在现代工程领域内的应用前景作了展望. 关键词 微细结构表面 自洁表面 接触角 超疏水性 粗糙度 表面润湿是固体表面的重要特征之一, 也是最为常见的一类界面现象, 它不仅直接影响自然界中动、植物的种种生命活动, 而且在人类的日常生活与工农业生产中也起着重要的作用. 润湿性可以用表面上水的接触角来衡量, 通常将接触角小于90?时的固体表面称亲水表面(hydrophilic surface), 大于90?称疏水表面(hydrophobic surface). 近年来, 随着微纳米科学技术的不断发展, 以及越来越多的行业对特殊表面性能材料的迫切需求, 人们对微观结构在生命科学和材料科学中的应用有了更多的认识, 对于固体表面微细结构与润湿性之间的关系也有了更深入的理解[1,2]. 对润湿性可控表面研究的重大进步, 使得制备无污染、自清洁表面的梦想成为了现实[3]. 自洁表面一般可通过制备超亲水或超疏水表面两种途径制得: Wang 等[4]利用紫外光诱导产生的接触角接近0?的超亲水TiO 2表面, 这种表面材料已经成功地被用作防雾及自洁的透明涂层[5], 其机理为液滴在高能表面上铺展开形成液膜, 然后通过液膜流动, 夹带表面污物运动而起到自洁的功能; 而科学家在对动植物表面 的研究中发现[6], 自然界中通过形成超疏水表面来达到自洁功能的现象更为普遍, 最典型的如以莲叶为代表的多种植物叶子的表面[7](莲叶效应 Lotus- ef-fect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等等, 这是大自然对我们的暗示. 通过观察和研究发现, 此类表面上除了具有疏水的化学组分外, 更重要的是在微观尺度上具有微细的粗糙结构. 如图1所示, 电子显微镜下, 荷叶表面具有双层微观结构, 即由微米尺度的细胞和其上的纳米尺度蜡状晶体两部分组成; 蝶类翅膀上的粉末由100 μm 左右的扁平囊状物组成, 囊状物由无数对称的几丁质(chitin)组成的角质层构成, 其表面并不光洁, 这就是蝴蝶常具有色彩斑斓的结构色以及较好的疏水性的原因[8]; 水鸟类羽毛也具有微米或亚微米尺度的致密排列, 同时具有较好的 透气性和疏水性. 固体表面的润湿性由其化学组成和微观几何结构共同决定. 众所周知, 润湿性能主要受固体表面化学组成的影响, 固体表面自由能σSG 越大, 就越容易被一些液体所润湿, 反之亦然. 所以寻求和制备高表面自由能或低表面自由能的固体表面是制备超亲水 图1 (a) 荷叶表面的双层结构; (b) 蝴蝶鳞片的排列以及鳞片表面的微观结构; (c) 羽毛的微观结构 https://www.360docs.net/doc/8115071803.html, 1691
超疏水镁合金制备方法及其耐腐蚀性研究
目录 摘要........................................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................................. V 目录........................................................................................................................................ I X 第一章绪论 (1) 1.1 镁合金 (1) 1.1.1 镁合金的特点及性能特点 (1) 1.1.2 镁合金的抗腐蚀性 (1) 1.2超疏水表面 (2) 1.2.1超疏水概念 (2) 1.2.2 理论研究 (2) 1.2.3 超疏水表面制备方法 (4) 1.3本文研究目的与思路 (5) 第二章电沉积法制备超疏水镁合金 (7) 2.1前言 (7) 2.2实验 (8) 2.2.1实验材料 (8) 2.2.2 离子液体的制备 (8) 2.2.3前处理过程 (8) 2.2.4电沉积过程 (9) 2.2.5测试与表征 (9) 2.3改变电沉积密度制备超疏水锌层 (10) 2.3.1 电流密度与接触角关系 (10) 2.3.2 电沉积试样XRD分析 (11) 2.3.3 表面微观形貌 (13) 2.3.4 粗糙度分析 (15) 2.3.5 机理 (17) 2.3.6 电化学测试 (17) 2.4 添加剂对电沉积表面的影响 (19) 2.4.1 表面组成及织构分析 (19) 2.4.2 微观形貌分析 (20) 2.4.3 接触角测试 (22) 2.4.4 结合力测试 (22) 2.4.5 电化学测试 (23) 2.5 本章小结 (24) 第三章表面改性制备超疏水镁合金表面及其超疏水性研究 (25) 3.1 引言 (25) 3.2 实验 (25) 3.2.1 实验材料 (25) 3.2.2 实验方法 (25) 3.2.3 测试与表征 (26) 3.3 氯化铜刻蚀对镁合金表面超疏水性能的影响 (26)
荷叶效应原理的介绍与应用
仿生荷叶材料 1120125123 先格 20世纪70年代，波恩大学的植物学家巴特洛特在研究植物叶子表面时发现，光滑的叶子表面有灰尘，要先清洗才能在显微镜下观察，而莲叶等可以防水的叶子表面却总是干干净净。他们发现，莲叶表面的特殊结构有自我清洁功能。莲花出污泥而不染，自古以来就被人们认为是纯洁的象征，所以这一自我清洁功能又被称为“荷叶效应”。 一、基本概念及原理 荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基OH-、氨基NH-等极性基团，在自然环境中应该很容易吸附水分或污渍。但荷叶叶面却呈现具有极强的拒水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的"荷叶自洁效应"。 通过扫描电子显微镜图像，可以清晰地看到，在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”（每两个小山包之间的距离约为20－40μm）在山包上面长满了绒毛，在山包顶又长出了一个个馒头状的“碉堡”凸顶。整个表面被微小的蜡晶所覆盖（大约200nm－2μm）。 因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几
个点接触，由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透，而能自由滚动。雨点在自身的表面力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是"荷叶效应"的奧妙所在。 二、应用领域 模仿莲叶自洁的功能，可以应用于表面纳米结构的技术，可开发出自洁、抗污的纳米涂料。有些纳米涂料里渗有二氧化钛的物质。将二氧化钛等纳米微粒加到衣服的纤维里头可使普通的衣服化身为可防震、除臭、杀菌，最重要的是自洁。海岛型气候的地区由于气候湿热，更需要这种东西。 在自然界这个小小的圈子里，藏着大大的惊奇。有许多事情要试着去接近、感受它，才能得到更多的知识。我们先了解到自然界中许多的生物在人类的科技进步之前早就有了微观的构造，从公分、公厘、甚至达到微米、纳米，而在莲叶上我们找到了纳米级的细微结构。这种细小的突起物，使得水珠不易吸附在莲叶上。当叶面倾斜到一定角度时，水珠会沿着叶面滑落并带走上面的污染物，达到自洁的效果。这种特性也可以应用在玻璃上，例如：经过纳米处理的玻璃本身也具有自洁的效果，这就可以运用在战机的雷达上。最近许多厂商也利用纳米技术处理涂料，物体涂上此涂料也将拥有自洁的效果。当这项技术普及化后，世界也将会改观。不会脏的地板、墙壁、和没有灰尘阻挠的无线电用品，将会不断的出现，人类的生活也会更加进步。 莲叶效应描绘了一个很有效的生物模型系统，用它可以来制作人工的防污表面，因为它基于一个纯物理化学的原理。有许多的领域和方面需要这种应用，如衣料的外表面、房顶、自动喷漆器等等。如果可以使得这些领域的自清洁功能得以实现，显然会带来很多好处，而且可以节省清洁花费的费用。在工业合作中，目前正在努力将莲叶效应转化成实际的技术应用。虽然肯定还需要耗费一些时间，但是肯定迟早会有这种实用的产品
镁合金表面处理工艺的研究【详情】
镁合金表面处理工艺的研究 内容来源网络，由深圳机械展收集整理！ 镁及其合金是有色金属材料中最具有开发和应用发展前途的金属材料。 镁是一种轻质结构材料，质量为铝的2／3，钢铁的1／4。与钢、铝、塑料等工程材料相比，镁合金具有比强度和比钢度高，电磁屏蔽性能好，无磁性；无毒、可回收；极好的切削加工性能，极高的压铸生产率，尺寸收缩小，并且具有优良脱模性能，且加工成本低，尺寸稳定性高；具有超导和储氢性能；耐印痕性；良好的低温性能和导热率高等优点；镁还具有良好的导热、导电性、尺寸稳定性、电磁屏蔽性、机加工性能以及再循环利用的性能；镁弹性模量低，约45 GPa，减震性能好，适合于做承受剧烈振动的零件；镁合金压铸件比重小，比刚度大，铸造性能，机械加工性能和阻尼性能好。这些特性可使其成为汽车工业、航空工业及电子工业中首选的结构材料，因此具有良好的社会效益和经济效益。虽然镁合金具有以上诸多优点，并在许多领域具有广泛的应用前景，但也存在一些限制其进一步应用的因素， 主要包括以下三个方面: (1)镁及其合金晶体结构为密排六方结构，决定了镁及其合金的塑性低，物理性能和力学性能均有明显的方向性，在室温下变形只能沿晶格底面进行滑移，单一的滑移系导致其压力加工变形能力低。
(2) 常用的AZ, AM系列镁合金通常的使用温度为95°C ~120°C，超过这一温度范围，合金的蠕变强度随着温度的增加而大幅度下降，限制了它在耐热部件、如汽车发动机部件和传动机构等零部件方面的应用。 (3)限制镁合金广泛应用的最大障碍是镁合金的耐腐蚀性能较差。镁的平衡电位为一2．37 V，很容易发生氧化反应。镁在海水中的稳定电位为一1．6一一1．5 V。镁在空气中与氧能够形成一层很薄的氧化膜，但氧化膜疏松、多孔，PB比为O．99
纳米荷叶效应
纳米荷叶效应 姓名: 学号: 专业: 班级: 摘要：荷叶的“出淤泥而不染”的纳米学知识。 关键词：荷叶、自清洁、注水、无水雨伞 一提到莲花，人们就会很自然地联想到荷叶上滚动的露珠，即所谓的莲花效应。那么，什么原因导致了这种莲花效应呢？莲花效应又能给莲花本身带来什么好处？现代电子显微镜技术给可以帮助我们给出正确的答案。通过电子显微镜，可以观察到莲叶表面覆盖着无数尺寸约10个微米突包，而每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。这是自然界中生物长期进化的结果，正是这种特殊的纳米结构，使得荷叶表面不沾水滴。借助莲花效应，莲花可保持叶子清洁。当荷叶上有水珠时，风吹动水珠在叶面上滚动，水珠可以粘起叶面上的灰尘，并从上面高速滑落，从而使得莲叶能够更好地进行光合作用。 ——《百度空间》当接触角很大的时候，水珠就呈现球形，水和叶子接触的地方非常小，水不会再一个地方呆着，整个水珠可以滚来滚去。
荷叶表面原来非常的粗糙！荷叶表面布满了大小在几微米到十几微米之间的突起。每个突起上还布满了更小的突起，或者说细毛。荷叶的超强疏水性，原来不仅跟表面疏水性有关，还跟这种超微结构有关。接触角的形成是减小整个体系总界面能的结果。对于一个疏水的固体表面来说，当表面不平有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，水与固体的接触面积会大大减小。科学家们可以从物理化学的角度用数学来证明：当疏水表面上有这种微细突起的时候，固体表面的接触角会大大增加。当接触角不是特别大的时候，象第一副图中的草叶上，水滴呈半球形，而半球形是无法滚动的。如果有了这种超微结构，象荷叶表面，接触角接近180度，水滴接近于球形。而球，可以很自如地滚动。即使叶子上有了一些脏的东西，也会进入水中被水带走。这样接触角非常大的表面（通常大于150度），就被称为“超疏水表面”，而一般的疏水表面只要接触角大于90度就行了。超疏水表面的特性就在于：水在上面形成球状滚动，同时带走上面的污物，这样的表面就具有了“自清洁”的能力。 自然界里具有“自清洁”能力的超疏水表面，除了荷叶之外，还有芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种自清洁除了保持表面的清洁，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。象荷叶芋头这样的植物，即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。即使有病原体到了叶面上，一下雨也就被冲走了。如果不下雨的话，叶面很干燥，病原体还是生存不了。 ——《百科知识》纳米材料解决注水难题：中原油田采油工程技术研究院油气层保护技术研究中心工程师许建华说：“我们在向井下注入这些粒度在10纳米左右的特殊粉体前，首先要对地层进行预处理，清除近井地带孔隙中的油膜，以便纳米粉体能够牢固地吸附在孔隙表面，从而在地层孔隙壁上形成一层纳米保护层。由于这些纳米粉体具有极强的‘憎水亲油’能力，能使地下的油水通道形成类似于荷叶一样不沾水的表面，大大降低注入水的流动阻力，同时还可以将孔隙内表面的水膜赶走，从而有效地扩大孔径，改善注入水的流动条件，提高注水效率。” ——《中国百科网》进入建筑或者公交车，滴水的雨伞总是有些让人厌烦。为此，英国研究人员发明了一种纳米无水雨伞。这种伞的创意来自荷叶。大雨之时荷叶却不会被淋湿，
镁基体超疏水表面制备及表征
镁基体超疏水表面制备及表征* 王燕华*,钟莲，刘圆圆，姜泉良，郭向阳，王佳 (中国海洋大学，化学化工学院，青岛， 266100) 摘要：采用自组装方法，在镁基体表面制备了一层超疏水硬脂酸盐分子层，并采用接触角、扫描电镜、红外光谱、电化学阻抗等测试技术对获得的超疏水层进行了表征和分析。研究表明，经过大约1小时的组装，硬脂酸分子成功的键合到镁基体上，形成了微米-纳米尺寸花瓣状结构的硬脂酸膜，接触角也快速增加至154°。电化学阻抗测试表明，超疏水膜可以提高镁基体的电荷传递电阻，在一定程度上抑制镁的局部腐蚀。 关键词：镁；自组装方法；超疏水; 接触角；电化学阻抗谱 中图分类号： 前言 近年来流行的超疏水表面，以其自清洁、防腐蚀、超疏水等独特的表面性能，引起了世界范围内的极大关注，现已成为仿生纳米材料技术领域的研究热点之一[1-3]。从20世纪50年代开始，人们就对超疏水表面展开了基础研究，到了90年代，开始了有关超疏水表面的制备研究，并引起了一段时间的研究热潮[4]。一般来说，超疏水表面可以通过在固体表面构建微/纳米精细结构和降低表面自由能来实现。文献中已报道了许多超疏水表面改性技术。例如刻蚀法、模板法、沉积法、电化学方法、溶胶-凝胶法、相分离法等[5-8]。目前，对金属材料进行的超疏水表面改性大多集中在金、银、铂等贵金属以及铜、铝、锌、铁等工程金属，很少涉及镁及其氧化物的超疏水表面改性研究[9-12]。而镁及其合金作为一种重要的工程材料，有着广阔的应用前景，如果在镁金属表面获得超疏水层，可以减少镁与周围腐蚀性水环境的接触面积，降低镁合金发生腐蚀的倾向，将能进一步提高镁工程材料的性能。 基于此，本文介绍了一种能够在镁基体上获得超疏水硬脂酸膜的自组装方法，并对所制得超疏水膜的表面特征进行了研究。 1.实验方法 1.1 试样制备 纯度为99%的镁片(20mm×20mm×3mm) 采用600#、800#和1000#水磨砂纸逐级打磨，然后用去离子水、乙醇超声波振荡清洗后臵于干燥器中备用。预处理采用1％的硫酸去除试样原有的氧化层并使表面粗糙化，然后在20％过氧化氢溶液中浸泡2-3min，生成新鲜的氧化层。经过预处理的试样，采用去离子水清洗后放入0.05mol/L硬脂酸溶液中自组装不同时间，取出后晾干，得到不同润湿性的样品。 1.2 性能测试 接触角的测定采用JC2000A接触角测量系统实现，测量时所用的水滴为5μl，本文中的数据是在5个不同的位臵下测量的平均值。表面微观结构的观察采用扫描电子显微镜(JSM-6700F, 日本)实现。红外光谱测试采用傅立叶变换红外光谱仪（Perkin Elmer），在室温下用KBr压片，谱图未做任何修正。电化学阻抗测试采用PARSTAT 2263电化学工作站，测试采用三电极系统，待测电极为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，侵蚀液采用0.1mol/L的氯化钠溶液,侵蚀时间1h，频率范围10mHz～100kHz，扰动信号10mV。 2.结果与讨论 2.1 自组装过程中接触角的变化 硬脂酸组装过程中试样表面与水滴的接触角变化如图1所示。组装前，镁基体表面覆盖着一层薄的氧化膜，呈现出很强的亲水性，接触角约为40°。1小时内，硬脂酸分子以很快的速度与镁基体结合，接触角快速增加至154°，形成超疏水表面。延长组装时间至6小时，接触角未发生明显 * 国家自然科学基金（40906039）资助项目。
超疏水高分子薄膜的研究进展 (1)
超疏水高分子材料的研究进展 摘要：近十年来，由于超疏水表面在自清洁、防冰冻、油水分离等方面的广泛应用前景，超疏水高分子薄膜的研究受到了极大的关注。本文综述了超疏水高分子材料的制备方法，并对超疏水高分子材料研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水，高分子材料，自清洁 Developments of super-hydrophobic Ploymeric material Abstract: In the last decades, super-hydrophobic surface has aroused great interest in both academic and industrial fields owing to their potential application in self-cleaning, anti-icing/fogging, water/oil separation, et al. In this paper, the recent development in super-hydrophobic polymeric membrane is reviewed from both preparation and technique, and the future development direction of the superhydrophobic polymeric surface is also proposed in the end． Key Words: super-hydrophobic, polymeric membrane, self-cleaning. 引言 自然界是功能性表面的不竭源泉。植物叶表面的自清洁效果引起了人们的很大的兴趣，在以荷叶为典型代表的自然超疏水表面上充分体现了这种自清洁性质，因此称之为“荷叶效应”[1]。图 1.1中展示的是水滴和汞在荷叶表面的宏观与微观的照片[2]。植物叶表面的微观结构产生自清洁性这一发现不仅为人工构筑超疏水表面提供的灵感，而且植物叶本身也是一个优异的模板，通过对其结构的复制，可望得到具有类似于植物叶表面微结构及自清洁性能的表面。通过对生物体表面结构仿生可以实现结构和性能的完美统一[3-12]。 随着高分子材料在日常生活中的广泛应用，针对高聚物材料存在的表面问题，例如表面的防污性、湿润性，防冰冻，抗菌性等的研究变得越来越重要，特别是智能高分子材料的性能研究尤为引人注目。由于超疏水材料在自清洁、
荷叶效应与纳米涂层Comments
荷叶效应与纳米涂层Comments>> | Tags 标签：原创, 材料, 涂料, 荷叶, 超疏水表面云无心发表于 2009-03-29 20:05 (本文刊发于《百科知识》) 雨过天晴，让我们来看看叶子上的水珠吧。多数的叶子上，水珠是这个样子的。 （图片来源：https://www.360docs.net/doc/8115071803.html,/） 有的叶子上，水珠晶莹剔透，可以滚来滚去，就象下面的荷叶。即使在上面浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。如果建筑物的外墙、露天的广告牌等等表面也象荷叶一样，不就可以永保清洁而免去清洗的麻烦了吗？这种具有“自清洁”能力的表面，在人们搞明白了“出污泥而不染”的原因之后，通过应用纳米技术已经实现了。
一、从接触角谈起 为什么有的叶子上的水珠是球形，可以滚来滚去，有的叶子上却很扁，乖乖的呆在一个地方不动呢？让我们看看下面这幅图： 一滴水在固体表面上，整个图中有三个界面。红色的是固体和水的界面，蓝色的是固体和空气的界面，黑色的是水和空气的界面。黑色的的那个界面是弯曲的，如果我们从红色黑色和蓝色交界的地方沿着黑色曲面的方向画一条线来，就叫做那个曲线在那个点的切线。在图中，就是绿色的那条线。红线和绿线之间有个夹角，我们把它叫作“接触角”。 如果接触角很大，是什么样子呢？
当接触角很大的时候，水珠就呈现球形，水和叶子接触的地方（相当于上面这幅图中的红线）非常小，水不会再一个地方呆着，整个水珠可以滚来滚去。 如果接触角很小，又会是什么样子呢？ 这就是一般的叶子上水珠的形状。扁扁的，水和叶面的边界很大（就是红线很长）。接触角很小，水珠也不能随便移动。进一步想，如果接触角非常小，比如说是零度了，会是什么情况呢？没错，没有蓝色的线了，所有的固体都被水给占了。日常生活中，如果我们的碗或者玻璃不太干净，比如说有油，那么就触角就会比较大，我们就能看到水珠。如果用洗涤灵把它们洗得很干净，放滴水上去，水就立刻铺开，看不到水珠了。 接触角物理原因有点抽象。我们需要从表面能的概念出发来理解：增加任何两种物质的界面，都需要一定的能量，这个量在数值上等于这两种物质构成的界面的界面张力。我们比较熟知的表面张力是空气和水的界面张力。其实不仅是空气和液体之间，空气和固体，液体和固体之间也存在着界面张力。再看看上面的图，一滴水放在固体表面制造了三种界面：黑色的空气和水的表面，红色的水和固体的界面，还有蓝色的空气和固体的界面。把各自的界面张力乘以界面面积，加起来就得到了整个体系的界面能。 具体的数学推导就不作了，我们来考虑两种极端情况。如果气固界面张力很大而液固界面张力很小，显然大自然倾向于把水滴完全铺开，（谁都喜欢干省力气的活），这就是洗干净的普通玻璃的情况。相反，如果液固界面张力很大而气固界面张力很小，大自然很倾向于让空气与固体接触而让液体一边呆着，这就是荷叶或者羽毛的情况。而中间的情况，气固和液固两个界面张力谁也没能一统天下，接触角就是双方妥协划分势力范围的结果。其背后的决定因素还是大自然喜欢省力气，即整个体系的表面能最低。在具体划分的时候，空气和液体之
镁合金表面超疏水复合膜层的制备及性能研究
Material Sciences 材料科学, 2017, 7(6), 621-627 Published Online September 2017 in Hans. https://www.360docs.net/doc/8115071803.html,/journal/ms https://https://www.360docs.net/doc/8115071803.html,/10.12677/ms.2017.76082 Preparation and Properties of Super-Hydrophobic Composite Film on Magnesium Alloy Surface Xiang Liu, Ningning Chen, Yanhua Wang* Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong Received: Sep. 2nd, 2017; accepted: Sep. 21st, 2017; published: Sep. 27th, 2017 Abstract A super-hydrophobic composite film was prepared by coating the graphene/polystyrene blends on the surface of magnesium alloy after treating by micro arc oxidation method. The scanning electron microscopy (SEM), contact angle tester and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) were used to characterize the surface morphology, wettability and chemical composition of the super-hydrophobic composite film. In addition, the polarization curves and the electrochemi-cal impedance spectroscopy were also employed to evaluate the anticorrosive property of the coatings. Compared with the unmodified magnesium alloy, the corrosion current density of the super-hydrophobic composite film is reduced by four orders of magnitude, which greatly im-proved the corrosion resistance of magnesium alloy. Keywords Polystyrene, Graphene, Super-Hydrophobic Composite Film, Corrosion Protection 镁合金表面超疏水复合膜层的制备及 性能研究 刘翔，陈宁宁，王燕华* 中国海洋大学化学化工学院，海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东青岛 收稿日期：2017年9月2日；录用日期：2017年9月21日；发布日期：2017年9月27日 *通讯作者。