仿生超疏水二氧化硅_聚氨酯复合涂层的制备及性能_喻华兵
第30卷第1期高分子材料科学与工程
Vol .30,No .1 2014年1月
POLYMER MA TERIALS SCIENCE AND ENGINEERING
Jan .2014
仿生超疏水二氧化硅/聚氨酯复合涂层的制备及性能
喻华兵
1,2
,汪存东2,李瑞丰
1
(1.太原理工大学精细化工研究所,山西太原030024;2.中北大学化工与环境学院,山西太原030051)
摘要:以纳米二氧化硅(SiO 2)和不同有机硅含量改性的聚氨酯(P U )为原料,以乙酸乙酯为分散剂,采用简单的喷涂工艺,通过仿生的方法制备出与荷叶表面结构相似的SiO 2/P U 微-纳米复合涂层。用扫描电镜(SEM )对涂层表面进行了表征,研究了SiO 2与P U 的质量比以及有机硅含量对涂层表面结构及接触角的影响,并考察了涂层结构的稳定性,分析了涂层的形成机理和结构特点。结果表明,涂层表面具有与荷叶表面相似的微-纳米结构,SiO 2与P U 的质量比在4∶5至3∶5之间,有机硅质量分数大于15%时,涂层的水接触角为158°,滚动角为3°,具有超疏水特性,并且结构稳定,测试胶带剥离6次后,涂层仍具有超疏水特性。
关键词:仿生;超疏水;复合涂层;微-纳米结构;聚氨酯
中图分类号:T Q 323.8 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2014)01-0136-05
收稿日期:2013-08-22
基金项目:山西省青年科技研究基金项目(2013021012-4)通讯联系人:喻华兵,主要从事功能材料的合成及应用研究,E -mail :yuhuabing80@https://www.360docs.net/doc/9117795214.html,
超疏水性是指物体表面与水接触时所形成的接触角大于150°,滚动角小于10°的疏水性能。超疏水表面
在现实生产、生活中具有广阔的应用前景,可用于防水、防污、自清洁、流体减阻、抑菌等领域[1,2]。寻求、开发和研制具有高性能的新型疏水材料一直是科学家们所关注的课题,也是多年来仿生学领域研究的热点之一。
目前制备超疏水性材料的方法主要有:刻蚀法[3]
、静电纺丝法[4]
、等离子技术[5]
、相分离法[6]
、模板法[7]和溶胶-凝胶法[8]等。这些方法大多工艺复杂、设备昂贵,大面积制备困难,并且表面粗糙结构脆弱,使得涂层的力学性能以及对基体的防护性能均较差,达不到持久超疏水的作用。因而制约了超疏水涂层在工业上的广泛应用。
本研究根据荷叶表面超疏水微-纳米结构的特点[9],采用纳米二氧化硅(SiO 2)、有机硅改性聚氨酯(PU )为原料,复配成混合分散液,采用喷涂工艺,结合组分间的相分离、自组装技术,构建出类似荷叶表面微-纳米粗糙结构的SiO 2/PU 超疏水涂层。这种涂层结合了聚氨酯和二氧化硅材料的优点,具有易得,附着力好、可大面积制备、结构稳定、超疏水持久等特点,应用前景可佳。
1 实验部分
1.1 实验药品与仪器
市售纳米二氧化硅(SiO 2):粒径约为15nm ,太仓欣鸿化工有限公司;乙酸乙酯:分析纯,北京化工厂;甲苯二异氰酸酯(TDI ):分析纯,上海试剂厂;聚丙二醇(PPG -1000):工业品,海安国力化工有限公司;羟基硅油:羟基含量9%,化学纯,济南豪耀商贸有限公司。
上壶喷漆枪:日本岩田W -71型,喷嘴口径1.0mm ;超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司,KQ -50DA 型;接触角测试仪:上海中晨数字技术设备有限公司,JC2000C 型;场发射扫描电镜(SEM ):日本日立S4700型;测试胶带:美国3M610型,规格19m m ×66m 。1.2 有机硅改性聚氨酯的制备
在装有冷凝管、搅拌器和温度计的四口瓶中加入聚丙二醇(PPG ),110℃真空脱水2h ,然后冷却到60℃,加入计量好的甲苯二异氰酸酯(TDI ),滴加3滴二月桂酸二丁基锡(DBTL )催化剂,控制反应温度为75℃～80℃,反应2h 。再加入羟基硅油进行扩链,反应2h 。分别制得分子链中有机硅质量分数为3%、5%、8%、10%、15%、18%的湿固化型有机硅改性聚氨酯。反应机理如Fig .1所示。
Fig.1 Polyurethane Modified by Organosilicon 1.3 SiO2/PU混合分散液的制备
将纳米SiO2加入到乙酸乙酯溶剂中,搅拌10
min,然后超声波分散30min,使纳米二氧化硅均匀分
散在乙酸乙酯溶剂中;将湿固化型有机硅改性聚氨酯
加入乙酸乙酯溶剂中,强烈搅拌30min,然后超声波
分散1h,备用。
将配好的SiO2乙酸乙酯分散液加入到聚氨酯分
散液中,强烈搅拌,再超声波分散30min,混合均匀,
制得SiO2/PU混合分散液。
1.4 SiO2/PU超疏水涂层的制备
将SiO2/PU混合分散液通过喷漆枪喷涂到7.62 cm×2.54cm的载玻片上,喷嘴离载玻片约20cm,载玻片被很薄的涂层覆盖即可。然后将喷有涂层的载玻片放入到100℃的烘箱中加热10h,使分散液中的湿固化型聚氨酯与纳米SiO2上的羟基以及载玻片表面的羟基和水发生反应,固化形成SiO2/PU复合涂层。
1.5 涂层的性能及表征
1.5.1 接触角的测定:用JC2000C型接触角测试仪测定水滴在涂层上的接触角(CA)和滚动角(SA)。为了减小水滴大小对接触角的影响,测接触角时的水滴控制为5μL,每个样品测5个点,取平均值。
1.5.2 涂层表面微观结构:采用场发射扫描电镜观察涂层表面的微观结构。
1.5.3 涂层强度测试:采用3M610型测试胶带对涂层进行剥离实验,观察接触角和滚动角的变化。
2 结果与讨论
2.1 有机硅改性聚氨酯的红外谱图
Fig.2是有机硅改性聚氨酯的红外谱图。从图中可以看出[10],在2271cm-1处出现了-N=C=O的特征峰,说明聚合物是以-N=C=O封端的湿固化型聚氨酯。在3293cm-1处出现了氨酯键中N-H伸缩振动峰;在1536cm-1处出现了氨酯键中N-H弯曲振动峰;在1721cm-1处出现了氨酯键中C=O伸缩振动
峰,表明反应生成了氨基甲酸酯基。1083cm-1处为Si-O-Si伸缩振动峰,说明羟基硅油参与了反应。以2271cm-1处的-N=C=O的峰值为内标,根据Si-O-Si伸缩振动峰比值大小可以确定不同配方改性的聚氨酯中有机硅含量的变化情况。2971cm-1和2970cm-1处是-CH3和-CH2的吸收峰。图中3600 cm-1附近没有出现-OH的吸收峰,说明-OH完全反应。通过红外谱图分析可以确定此聚氨酯是有机硅改性的-N=C=O封端的湿固化型聚氨酯。
Fig.2 IR Spectrum of Polyu rethane
Fig.3 SE M Images of the Si O
2
/PU Coating
2.2 SiO2/PU涂层的表面结构
Fig.3中的(a)和(b)是SiO2/PU涂层不同放大倍数下的扫描电镜照片。涂层在喷涂和加热固化过程中,一部分纳米SiO2粒子会发生团聚和相分离,形成微米级的聚集体。从Fig.3可以看出,该涂层表面凹凸不平,由微米级的突起、纳米级粒子以及微孔共同组成,涂层具有与荷叶表面相似的微-纳米粗糙结构。2.3 SiO2/PU涂层的超疏水性能
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第1期喻华兵等:仿生超疏水二氧化硅/聚氨酯复合涂层的制备及性能
Fig .4(a )是SiO 2/PU 涂层在接触角测定仪上拍摄的水接触角照片,Fig .4(b )是对应的数码照片,接触角最高达到了158°,滚动角为3°,水珠可以在涂层表面自由滚动,制备的SiO 2/PU 涂层与荷叶相似具有超疏水特性。这种超疏水特性可以通过Cassie 超疏水理论来进行解释
[11]
,原因是涂层表面存在着大量的微-纳米
结构的突起和微孔(如Fig .3所示),液滴下面将会有
一定量的空气被封闭在微孔中,形成空气垫,从而构成气固复合接触表面,使涂层具有与荷叶相似的超疏水性能
。
Fig .4 Superhydrophobicity of the SiO 2/PU Coatin g
(a ):image of the w ater CA of the SiO 2/PU coating ;(b ):digital photograph of the water droplet on the SiO 2/PU
coating
Fig .5 Effect of the Mas s Ratio of Si O 2to PU on the Water Contact
Angle of the Coating
2.4 SiO 2与PU 的质量比对涂层性能的影响
纳米SiO 2与聚氨酯的质量比对涂层表面的微观形貌、疏水性能均有着重要影响。下面以总质量分数为15%的SiO 2和PU 混合分散液为例,考察纳米SiO 2与PU 的质量比对接触角的影响,结果如Fig .5所示。横坐标是SiO 2与PU 的质量比,纵坐标是涂层所对应的接触角。从图中可以看出,当SiO 2与PU 的质量比较大时,有机硅改性的聚氨酯用量较少,不足以修饰SiO 2构成的粗糙表面,从而会有一部分SiO 2粒子裸露在外,而纳米SiO 2具有亲水性,因此会造成涂层疏水性较差;随着SiO 2与PU 的质量比减小,聚氨酯的用量增大,裸露的SiO 2的量越来越少,涂层的疏水性能
增强,与水的接触角明显增大;但随着聚氨酯的用量进一步增大,涂层表面会变得比较光滑,许多微孔以及表面所形成的微-纳米结构被聚氨酯所覆盖,因此粗糙度降低,水滴下不再有大量的空气垫,涂层的水接触角下降。从图中可以看出,当SiO 2与PU 的质量比在4∶5至3∶5之间时,涂层水接触角达到了158°,涂层具有很好的超疏水特性。2.5 有机硅含量对涂层性能的影响
在SiO 2/PU 复合涂层的制备中,所用的聚氨酯是分子链中含有有机硅链段的改性聚氨酯。聚氨酯中的有机硅表面能较小,易与聚氨酯发生相分离而聚集在涂层的表面,从而对涂层的表面起到修饰作用,使涂层的表面能降低,因此聚氨酯中有机硅含量的高低对涂层的疏水性有着重要的影响。实验中固定SiO 2与PU 的质量比为3∶5,考察聚氨酯中不同有机硅含量对涂层疏水性能的影响,结果如Tab .1所示。有机硅含量较低时,不足以修饰涂层的表面,涂层不具有超疏水性
能,疏水性较差。随着有机硅含量增大,迁移到涂层表面的有机硅增多,当涂层表面聚集的有机硅达到饱和时,在涂层的表面就会形成有机硅层,涂层的接触角也就达到了最大值并保持不变。从实验结果中可以看出,当聚氨酯中有机硅质量分数大于15%时,SiO 2/PU
复合涂层的接触角达到最大158°,滚动角为3°,超疏水性最明显。
Tab .1 Effect of Organosilicon C ontent on the Hy -drophobic Properties of the Coating
Sampl e w (organosilicone )
(%)Contact angle (°)S liding angle (°)1
0932123112163513712481459510153561515837
18
158
3
2.6 超疏水涂层的粘接强度
超疏水涂层的粘接强度的高低直接影响着涂层的使用寿命。实验中采用3M 610型测试胶带对涂层进行了多次剥离实验,考察了接触角和滚动角的变化情况,结果如Tab .2所示。从表中可以看出,随着涂层被测试胶带剥离次数的增加,接触角从158°降低到151°,滚动角从3°增大到12°,剥离到第8次时,接触角仍大于150°,涂层表面没有出现明显的破坏和脱落现
138高分子材料科学与工程2014年
象,结构比较稳定,粘接强度较好。其原因:一方面湿固化型聚氨酯中的异氰酸酯基与玻璃基材上的羟基以及基材表面吸附的水汽进行反应;另一方面湿固化型聚氨酯中的异氰酸酯基与纳米二氧化硅上的羟基反
应,使纳米二氧化硅、聚氨酯、有机硅以及基材通过化学键形成了一个强相互作用的整体,赋予涂层很好的粘接强度。由于涂层表面微-纳米结构不易被破坏,故涂层的使用价值大大提高。
Tab .2 Effect of Stripping Times on the Hydropho bic
Properties of the Coating
Stripping times
Contact angle (°)
Sliding angle (°)
1158321583315754156651549615497153108
151
12
Fig .6 Schematic Diagram of SiO 2/PU Superhydrophobic Coatin g
2.7 SiO 2/PU 超疏水涂层的形成机理
制备的SiO 2/PU 微-纳米复合涂层的结构如Fig .6所示。SiO 2主要起到构筑粗糙表面结构的作用,有机硅改性的聚氨酯主要起到稳定粗糙结构和修饰粗糙结构表面的作用。该涂层在加热固化的过程中,一部分纳米SiO 2会团聚形成微米级的聚集体,而这个微米级的聚集体是由纳米级的SiO 2所构成,于是聚集的SiO 2粒子就具有了与荷叶表面相似的微-纳米粗糙结构;分散液中的有机硅改性的聚氨酯在加热过程中两端的异氰酸酯基与空气中的水分以及纳米SiO 2上的羟基发生交联反应,再加上聚氨酯附着力好及力学性能优越的特点,使形成的SiO 2/PU 微-纳米涂层结构稳定。另外,改性聚氨酯中含有机硅链段,有机硅与聚氨酯溶度参数相差很大,热力学上与聚氨酯不相容,发生相分离而向涂层表面扩散,在涂层的表面聚集成表面能较低的有机硅层,这就相当于荷叶表面
的蜡质层。于是SiO 2/PU 涂层表面有了与荷叶表面相类似的带有蜡质层的微-纳米粗糙结构,也就有了与荷叶相似的超疏水特性。
制备的SiO 2/PU 微-纳米复合涂层中各组分通过
化学键形成了一个有机整体,表面的有机硅涂层不容易脱落,涂层的结构稳定不容易被破坏,所以这种涂层具有超疏水性持久的特点,有很强的实用性。3 结论
(1)以纳米SiO 2和有机硅改性聚氨酯为原料配成混合分散液,采用喷涂工艺制备出SiO 2/PU 复合涂层。通过聚氨酯的固化反应以及组分间的相分离作用,使涂层具有了与荷叶表面结构相类似的微-纳米粗糙结构,并具有超疏水特性。
(2)SiO 2/PU 涂层的疏水性受SiO 2与PU 质量比以及有机硅含量的影响。当SiO 2与PU 的质量比在4∶5至3∶5之间,有机硅质量分数大于15%时,涂层的水接触角达到了158°,滚动角为3°,涂层超疏水性明显。
(3)超疏水SiO 2/PU 涂层结构稳定,粘接强度较好。测试胶带剥离6次后,涂层的接触角仍大于150°,滚动角小于10°,涂层仍具有超疏水特性。
(4)喷涂法制备SiO 2/PU 超疏水涂层的工艺简单,成本低,易大面积制备,且涂层附着力好,有很好的应用前景。
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Preparation and Properties of Biomimetic Superhydrophobic
Silica/Polyurethane Composite C oating
Huabing Yu1,2,Cundong Wang2,Ruifeng Li1
(1.Institute of Special Chemicals,Taiyuan U niversity of Technology,Taiyuan030024,China;2.School
of Chemical Engineering and Environment,North University of China,Taiy uan030051,China)
ABSTRAC T:An nanosilica(SiO2)/polyurethane(PU)micro-nanocomposite coating with the similar surface struc-ture as lotus leaf was prepared by a simple spraying process via a biomimetic method.In this process,SiO2and o rganosilicon-modified PU w ere used as raw materials,and ethyl acetate w as used as a dispersing agent.The coating surface w as characterized via scanning electron microscopy.The influence of the co ntents of SiO2,PU,and o rganosilicon on the coating surface structure and contact angle(CA)was studied.And the stability of the coating structure w as also investigated.The form ation mechanism and structural characteristics of the coating w ere analy zed. The results show that the coating surface has the similar micro-nanostructure as the lotus leaf surface.The mass ratio of SiO2and PU is between4∶5and3∶5.When the mass fraction of organosilicon is greater than15%,the water CA of the coating and sliding ang les are158°and3°,respectively.The SiO2/PU composite coating has superhydrophobic properties and stable structure;after stripped fo r six times,the coating surface still remains superhy drophobic proper-ties.
Keywords:biomimetic;superhy drophobic;composite coating;micro-nanostructure;polyurethane 140高分子材料科学与工程2014年
关于某超疏水涂层综述1
自洁净技术 当今世界现有的技术很多都是来自于大自然中的，自洁净技术就是其中之一。在自然界中的许多生物都表现出自洁净的性质。蝴蝶的翅膀和植物的叶子，例如卷心菜和莲花。自洁净技术的应用围很广，从窗户玻璃的清洗到太阳面板的清洁，从水泥到纺织品。这项技术在20世纪末得到了极大的重视。世界各地都在开发着具有增强光学性质的高效耐用的表面涂层。除了应用方面的好处，这项技术还提供了各种各样的好处，包括减少维护成本，消除繁琐的手工工作，花在清扫工作上的时间也会减少。 自洁净涂料大致分为两个主要的类别，亲水和疏水，这两个类别都是通过水的作用来达到自我清洁的效果。在一个亲水涂层，水在表面扩散，会带走污垢和其他杂质。而在疏水技术中，水在表面滚动滑落，从而达到清洗的目的。然而,亲水性涂料使用合适的金属氧化物具有一个额外的属性，在的辅助作用下，化学分解复杂的污垢，达到清洁的作用。 自清洁的应用，就是超疏水材料的应用。氏方程制定在200年前，现在在湿润科学上仍然是基本的方程。氏方程是描述固气、固液、液气界面自由能γsv ，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式。表达式为：γsv-γSL=γLvCOS θ。 该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。COS θ=(уSV-уSL)/уLV 式中уSV 为固体表面在饱和蒸气下的表面力，уLV 为液体在它自身饱和蒸汽压下的表面力，уSL 为固液间的界面力，θ为气、固、液三相平衡时的接触角。当θ＞90°时固体表面表现为疏水性质，θ＜90°时表现为亲水性质。将与水接触角大于150°的物体表面称为超疏水表面。温泽尔就膜表面的粗糙情况对疏水性的影响进行了深入的研究．对氏方程进行了修正。指出由于实际表面粗糙使得实际接触面积要比理想平面大，提出了Wenzel 方程：cos θ1=r(уSV-уSL)/уLV 。式中r 为实际接触面积／表观接触面积。亲水膜在增加粗糙度后将更亲水．疏水膜则更疏水。在研究织物疏水性能时．提出了另一种表面粗糙新模型——空气垫模型。Cassie 提出接触面由两部分组成，一部分是液滴与固体表面(R)突起直接接触，另一部分是与空气垫(fv)接触，并假定θ1 =180°，引入表面系数f=fs ／(fs+fv)，Cassie 推导的方程为：cos θ1=fcos θ+f-1=f(cos θ+1)-1。根据Cassie 的模型及公式的理论计算．提高空气垫部分所占的比例将会增强膜表面的超疏水性能。 1.D. Byun, J. Hong, J. H. Saputra Ko, Y. J. Lee, H. C. Park,B.-K. Byun and J. R. Lukes, J. Bionic Eng., 2009, 6, 63–70.【Wetting Character is ticsof Insect Wing Surface 】我们调查了昆虫翅膀表面在微小和纳米比例下的、发现多层的粗糙表面有利于提高疏水性。在检测了10组24个会飞有翅昆虫标本之后，我们发现微小和纳米尺寸下典型存在于昆虫上下翅膀表面。在昆虫翅膀表面的微小的齿状结构与刚毛提高了疏水性，同时也使翅膀更容易被清洗。疏水昆虫翅膀经历了从cassie 到wenzel 的状态的转换。 2.C. Dorrer and J. Ruhe, Soft Matter, 2009, 5, 51–61.【Some thoughts on superhydrophobic wetting 】一滴水接触疏水材料的表面会形成一个近乎完美的球形，即使是一个轻微的倾斜都足以使水滴滚落。根据Cassie 的模型及公式的理论计算．提高空气垫部分所占的比例将会增强膜表面的超疏水性能。液滴必须足够的小以保证不出现显著的重力变形，大小被认为满足直径低于各自毛细管长度。毛细管长度被定义为 g lg ργλ=C ，水的毛细管长度是2.7mm 。应用施加压力，震动底物，应用电压，水滴蒸发实
超疏水微纳米涂层的制备
ZnO/E-51复合涂料超疏水涂层的制备 1.选题的意义 润湿性是固体表面的重要性质之一，通常用液体在固体表面的接触角来表征。一般把与水的接触角大于１５０°且滚动角小于10°的固体表面，称为超疏水表面。由于超疏水表面与水滴的接触面积非常小，水滴极易从表面滚落，因此，超疏水表面不仅具有自清洁功能，而且还具有防腐蚀、防水、防雾、防雪、防霜冻、防黏附、防污染等功能[1,2]，因而在建筑、包装、服装纺织、液体输送、生物医学、交通运输以及微观分析等领域具有广泛的应用前景[3,4]。 2.实验的目的 荷叶表面具有极佳的疏水性和自清洁能力，研究发现其表面的双重微观粗糙结构和低表面能植物蜡的协同作用是形成疏水性能的主要原因。目前人工制备疏水表面的主要有两个途径：，一类是在低表面能的物质表面构造出一定的粗糙结构[5-6]，另一类则是在粗糙度合适的物质表面覆盖低表面能材料[7-8]。大量研究表明合适尺度的粗糙结构是指具有微－纳米尺度的二元粗糙结构[5]。当前有关超疏水表面制备技术和方法报道得较多，但大多采用复杂、高成本的纳米技术如光刻、静电纺丝、溶胶－凝胶和相分离、化学反应沉积、层层自组装等。受技术与实验条件的限制，这些超疏水表面制备技术与实际应用还有较大差距。本实验通过ZnO微粉与环氧树脂机械混合，制备ZnO/E-51复合涂料，固化后通过简单的化学刻蚀和表面修饰，形成微－纳米尺度二元粗糙结构，获得具有超疏水特性的大面积表面。 3.实验方法 3.1原材料 原材料ZnO微粉，粒径范围为0.1～1.5um；硬脂酸、冰醋酸和无水乙醇,环氧树脂(CYD-128),去离子水，实验室自制；50%的冰醋酸溶液由去离子水与冰醋酸按比例混合，实验室自制；1%的硬脂酸溶液由无水乙醇和硬脂酸按比例混合，实验室自制。 3.2．ZnO/E-51复合涂料的固化 采用真空袋压法制备固化的ZnO/环氧树脂复合涂料。将环氧树脂E-51和ZnO微粉按质量比1：2称量，采用机械搅拌方法混匀，制备环氧树脂浆料；在环氧树脂浆料中加入质量比为10%的二乙烯三胺固化剂，搅拌均匀；再将加入固化剂后的环氧树脂浆料均匀地涂在处理好的模具表面，铺敷真空袋，抽真空并保持；最后，固化、脱模得到固化后的ZnO/环氧树脂复合涂料。 3.3超疏水表面的制备 首先，将上述固化后的ZnO/E-51复合涂料表面用150#水砂纸打磨，再用丙酮清洗，除去污渍；其次，把试件悬挂在50%冰醋酸溶液中刻蚀预定的时间；第3步，把刻蚀后的试件用去离子水在超声作用下清洗，除出试件表面空隙中的残留物，再在60℃烘箱中烘30min；第４步，把试件悬挂在1%硬脂酸的无水乙醇溶液中浸泡预定的时间，进行表面修饰；最后,把修饰后的试件放在50℃烘箱中烘干，即获得具有超疏水性表面的ZnO/E-51复合涂料表面。 3.4表征分析 采用扫描电镜(SEM,Quanta-200,FEI)在电压为20KV下观察表面形貌；与水的接触角采用动／静态接触角仪(SL200B, 上海梭伦信息科技有限公司)测量，去离子水滴直径约为1.5mm，采用微量注射器滴加到试件表面，取3个不同位置
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。
超疏水材料研究报告进展
超疏水材料研究进展 摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b)
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
超疏水表面涂层的制备
超疏水表面涂层的制备 摘要：近年来，由于超疏水膜表面在自清洁、微流体系统和特殊分离等方面的潜在应用，超疏水性膜的研究引起了极大的关注。本文着重介绍了超疏水表面涂层的几种制备方法，并对超疏水表面涂层的发展前景进行了展望。 关键字：超疏水、自清洁、制备方法 超疏水表面已在自然界生物的长期进化中产生，许多动植物(如荷叶、水稻叶、蝉翼和水黾腿)表面具有超疏水和自清洁效果，最典型的代表是所谓的荷叶效应超疏水表面是指与水的接触角大于150°而滚动角小于10°的表面[1]。Barthlott和Neinhuis[2]通过观察植物叶表面的微观结构，认为自清洁特征是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面的存在蜡状物共同引起的。江雷[3]认为荷叶表面微米结构的乳突上还存在着纳米结构，而这种纳/微米阶层结构是引起表面超疏水的根本原因。固体表面超疏水性是由固体表面的化学成分和微观几何结构共同决定的。由于超疏水涂层独特的表面特性和潜在的应用价值而成为功能材料领域的研究 热点,，并获得越来越广泛的应用。 超疏水涂层的制备方法 通常，制备超疏水表面有两种途径一种是在具有低表面能的疏水性材料表面进行表面粗糙化处理；另一种是在具有一定粗糙度的表面上修饰低表面能物质。查找和整理前人对于超疏水薄膜的研究，整理下来超疏水薄膜的制备方法可分为6种方法[4]，分别为：气相沉淀法、相分离法、模板法及微模板印刷法、刻蚀法、粒子填充法和其他方法。 气相沉积法 气相沉积法包括物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)等。它是将各种疏水性物质通过物理或化学的方法沉积在基底表面形成膜的过程。 Julianna A等[5]通过气相沉积法，在聚丙烯膜表面沉积多孔晶状聚丙烯涂层，使聚丙烯膜呈现超疏水性，接触角达到169°，其接触角提高了42°。他们同时对聚四氟乙烯膜进行沉积处理，接触角提高30°左右。他们用原子力显微镜表征其表面形貌，两种膜表面都呈高低不同的各种突起，他们认为正是这种高低不同的突起使膜的疏水性增强。 相分离法 相分离法是在成膜过程中通过控制成形条件，使成膜体系产生两相或多相，形成均一或非均一膜的成膜方式。该方法制备过程简便，实验条件较为容易控制，可以制备均匀、大面积的超疏水薄膜，具有较大的实际应用价值。 Takahiro Ishizaki和Naobumi Saito[6]把镁合金浸渍在硝酸铈水溶液中20分钟，二氧化铈结晶膜就可以在镁合金表面纵向生长了。晶体的密度随着浸渍时间的增加而增加。然后，把结晶膜浸泡在含有FAS和四(三甲基硅氧基)钛（TTST）甲苯溶液中，FAS分子就可以覆盖在结晶膜上，形成超疏水的涂层。这里TTST作为催化剂，促进FAS分子的水解和/或者聚合。 模板法及微模板印刷法 模板及软模板印刷法是以具有微米或纳米空穴结构的硬的或软的基底为模
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/9117795214.html, 通讯联系人:陈 洪,E -mail:ch enh ong cs@https://www.360docs.net/doc/9117795214.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
浅谈超疏水材料的应用前景
浅谈超疏水材料的应用前景 超疏水材料技术是涉及生物、物理、化学以及材料等多学科交叉的前沿技术。21世纪以来，在表面科学、仿生学以及多领域学科的交叉融合推动下，新型超疏水材料层出不穷，其优秀的润湿特性和广泛的应用前景，引起了各国的广泛关注。2017年4月，在美空军研究实验室支持下，密歇根大学开发出新型自愈型超疏水涂层材料。该材料拥有百倍于同类涂料的耐久性，可为舰船、飞机和战车提供兼具耐久性的防水、防结冰、自清洁能力。 1 超疏水材料技术概述 超疏水性是一种特殊的润湿性，一般指水滴在固体表面呈球状，接触角大于150度，滚动角小于10度。材料表面能（材料表面分子比内部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且当低表面能 材料具有微观粗糙结构时，水滴与材料之间会形成一层空气膜，阻碍水对材料表面的润湿，从而形成超疏水状态。 构造超疏水表面有两种方法，一是在疏水材料表面上构建微观粗糙结构，二是用低表面能物质对微观粗糙表面进行改性。 材料的超疏水性越好，水滴在材料表面上越接近球形，与材料的接触面积越小，越易从材料表面滑落。此外，水滴在超疏水材料表面滚落时可带走污染物，使材料表面保持清洁。因此超疏水材料具有防水、防腐蚀、防冰以及防附着等多重特性。 2 超疏水材料技术进展 1多学科交叉融合成为超疏水材料技术发展的主要动力 自然界中的动植物表皮具有特殊的微观结构和特殊的润湿性能，为构造超疏水材料提供了启示，如模拟荷叶结构可以获得超疏水性能、模仿鲨鱼皮结构可以获得水下减阻性能等。仿生材料的研究，为超疏水材料的持续进步提供了动力。2017年5月，德国弗莱堡大学开发出一种具有多层结构的自愈型超疏水涂层。这种超疏水材料表面具有类似蛇褪去外皮的特性，可实现表面受损后超疏水性的自愈，为新型耐久自愈型超疏水材料的研发提供了新思路。、此外，增材制造、材料计算与模拟仿真等技术的应用，大大简化了材料表面微结构的设计、构造与控制难度，使超疏水材料的制备快速精准，结构和性能可控，实现了材料制备工艺、结构、性能 等参量或过程的定量描述，缩短了材料研制周期，降低了研发成本。 2耐久性突破推动超疏水材料迈向实用化 超疏水材料表面的微纳结构是决定其超疏水性的主要因素，而这种微观粗糙结构通常存在强度低、机械强度差、耐磨性差等问题，容易被外力破坏，导致超疏水性的丧失。另外，在一些场合或长期使用中，表面也可能被油性物质污染，导致疏水性变差。耐久性是长时间保持超疏水性的关键，也是制约超疏水材料实际应用的主要因素。提高超疏水材料耐久性的方法有增强材料表面的机械稳定性、提高材料表面的防油污性能、构造自修复超疏水材料等。
超疏水表面涂层制备技术的研究进展_王英
1 引 言 植物叶表面的自清洁效果引起了人们的兴趣，这种自清洁性质以荷叶为代表，因此称为“荷叶效应”。德国生物学家Barthlott[1]在1997年通过对近300种植物叶的结构进行研究，认为这种自清洁的特征是由粗糙的表面和表面存在的疏水的蜡状物质共同引起的。中科院研究小组[2]研究发现，在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米-纳米相复合的阶层结构是引起超疏水表面的根本原因；并通过试验证明[3]，单纯的微米或纳米结构虽然可以使表面产生超疏水性，但水滴在表面上不易滚动。通过大量的研究发现，固体表面浸润性由以下2个因素共同决定：①表面化学组成；②表面粗糙度。超疏水表面可以通过2种方法制得：①利用低表面能材料来构建粗糙结构； ②在粗糙表面上修饰低表面能物质。荷叶表面微观结构能够自清洁的这一发现为人工构筑超疏水表面提供了灵感。 2 超疏水表面制备技术 随着人们对超疏水表面的深入研究，许多制备方法不断涌现，目前，已经有多种方法可以人工制备超疏水表面，比如以天然动植物超疏水表面作为模板，用聚合物在其表面固化或用光刻印的方法将模板的表面形貌信息转移到复制物的表；用化学沉积（气相沉积、电化学沉积或逐层沉积）的方法在基材表面形成超疏水薄膜表面；或采用静电纺丝的方法形成纤维状微纳米尺度粗糙表面等等。 2.1 等离子体处理技术 利用等离子体对普通材料或含氟的低表面能物质进行表面粗糙化处理来制备超疏水表面的方法称为等离子体法。 Lacroix等[4]通过简单的等离子体聚合与等离子体刻蚀技术在硅基底上制得了粗糙的结构，经过进一步氟化物修饰表面后，表面呈现出超疏水的特性，水滴与表面的接触角接近180°。Khorasani等[5]在室温环境下利用CO2脉冲激光处理聚二甲基硅氧烷，使其表面产生多孔结构，测得其表面与水的接触角高达175°。这种技术处理表面是获得粗糙结构的有效方法，其优点是选择性高、快速等，但是存在的局限是成本高并且不利于大面积超疏水表面的制备。 2.2 溶胶－凝胶法 溶胶－凝胶法（Sol-gel法）是指用含有高化学活性组分的化合物作为前驱物，在酸或碱条件下进行水解产生活性的羟基，经过水解缩合反应形成溶胶，随着水解缩合反应的进行，溶胶的粘度进一步增加，最后形成凝胶，经过陈化、干燥成为干凝胶。当把溶剂去除后，有时会留下一些微纳米孔，这些孔结构赋予了材料一些性能，如超疏水性。 曲爱兰等[6]通过制备不同粒径和形状的SiO2粒子，构成了符合Cassie模型的非均相界面模型，使得水滴与涂膜表面接触时能够形成较小的粗糙度因子与高的空气捕捉率，然后利用氟硅烷的表面自组装功能制备得到了具有仿生类"荷叶效应”的超疏水膜，两者共同作用赋予了涂膜超疏水性能。测得水的静态接触角达到（174.2±2）°，接触角滞后几乎接近0°。郭志光等[7]采用溶胶－凝胶法与自组装技术相结合在硅片表面制备了具有一定表面粗糙度的薄膜，再经全氟辛基三氯甲硅烷化学修饰后制备出了具有超疏水性能的薄膜，水滴与膜表面的接触角为155～157°，滚动角小于5°。 超疏水表面涂层制备技术的研究进展 The research progress of ultra hydrophobic surface coating preparation technology 王 英(甘肃中医药大学定西校区 定西师范高等专科学校，甘肃 定西 743000)摘 要：由于超疏水表面在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用，有关超疏水表面的研究引起了极大的关注。本文归纳了超疏水表面的制备方法和相关的理论分析, 简单介绍了本研究小组最新研制的一种超疏水涂层材料制备技术，展望了超疏水表面的研究趋势和应用前景。 关键词：超疏水；仿荷叶；多级结构；表面技术；超疏水涂层 Abstract:In recent years,for the potentional application of super hydrophobic surface in self-cleaning coating,microfluidic systems and biological compatibility etc,the research which is related on these aspects has aroused great concern.This article summarizes the preparation method of the super hydrophobic surface and some theoretical analysis related on, simply introduces a kind of newest preparation method on super hydrophobic coating materials which is developed by a research team,and also opens a prospect in the research trends and application on the super hydrophobic surface. Key words：super-hydrophobic；lotus leaf like；multi level structur；surface technology；super-hydrophobic coating 中图分类号：0647 文献标识码： B 文章编号：1003-8965(2016)01-0032-02 基金项目：2011年度甘肃省高等学校科研资助項目(1127–02)。 作者简介：王英（1966—），女，河南开封人，副教授，硕士。 综 述 32
仿生超疏水材料
仿生超疏水表面的制备技术及其进展 摘要：仿生超疏水表面具有防水、自清洁等优良特性。自然界中存在许多无污染、自清洁 的动植物表面，如超疏水的荷叶表面、超疏水各向异性的水稻叶表面、超疏水的暗翼表面等。影响材料表面润湿性的主要因素有材料表面能、表面粗糙度和表面微一纳结构。超疏水表面的自清洁功能源自于表面形貌与低表面能物质的共同作用，可以通过两类技术路线来制备超疏水表面：控制材料表面能和修饰微细结构表面。 关键词：润湿性；仿生；超疏水；接触角 超疏水(Super—hydrophobic)是指表面上水的表观接触角超过150。的一种特殊表面现象。近年来，超疏水表面引起了人们极大的关注，它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等领域中有着广泛的应用 前景[ ]。最典型的例子就是自然界中的荷叶表面，水滴在叶面上可以自由滚动．能够将附着在叶面上的灰尘等污染物带走。从而使表面保持清洁。 1 基本原理 润湿性是材料表面的重要特征之一。描述润湿性的指标为与水的接触角0，接触角小于9O。为亲水表面，接触角大于90。为疏水表面，接触角大于150。则称为超疏水表面。对于光滑平整的理想固体表面，水滴在其表面上的形状是由固体、液体和气体三相接触线的界面张力来决定的，水滴接触角的大小可以用经典杨氏方程来表示：cos ：Lv 其中，、Ts 、分别是固一气、固一液和液一气界面的表面张力。对于粗糙表面．Wenzel方程[21认为水滴粗糙表面完全浸润，其液滴接触角为：cosO~=FcosO式中，r为表面粗糙度，即实际表面积与面投影面积之比值。根据Wenzel方程，对于疏水表面，增加表面粗糙度，液滴的接触角增大。Wenzel方程揭示了粗糙表面的表观接触角与本征接触角间的关系。当固体表面由不同种类化学物质促成时，Cassie~zJ进一步拓展了Wenzel的上述处理。他认为水滴在粗糙表面接触在两种界面：水滴与固体界面以及由于毛细现象水滴无法进入微孔而形成空气垫从而形成的滴与空气垫界面，并认为水滴与空气垫的接触角为180。，因此，提出粗糙表面的水滴的接触角为： COS0r=f,cosOl+ficos02 式中，、分别为粗糙表面接触面中液固界面的面分数与气固界面的面积分数，． =1。从上述模型可知。制备具有特殊结构的表面可以提高面的接触角。 2 天然的超疏水生物表面 自然界中存在许多无污染、自清洁的动植物表面。如荷叶、水稻、芋头叶、蝴蝶、水黾脚等表面。 2．1 超疏水的荷叶表面 在对生物表面特殊浸润性的研究中，荷叶表面的超疏水和自清洁效应最早被人所熟知。水滴在荷叶表面接触角可达165。，倾斜2。，水滴即可在表面滚动，以防止由于水的覆盖而抑植物的蒸腾作用与光合作用f4151。荷叶表面的超疏水性能来自于两个原因：荷叶表面的蜡物和表面的特殊结构，荷叶表面 仿生超疏水表面的制备技术及其进展 有序分布着平均直径为5～9txm的乳突，并且每个乳突表面分布有直径为124nm的绒毛，见 1(a)，荷叶表面的特殊结构和低表面能的蜡质物使得荷叶表面具有超疏水功能与自清洁功能。
自清洁超疏水涂层的研究
自清洁超疏水涂层的研究 摘要：本文综述了具有自清洁超疏水涂层的研究进展，介绍了实现自清洁目的的涂层所要具备的超疏水条件，并对超疏水的理论模型进行了综述。此外，介绍了几种自清洁超疏水涂层的类型，如：“仿生荷叶”型、有机硅型、有机氟型、有机氟硅型。 关键词：自清洁超疏水理论模型 一、前言 自清洁涂层是能够不通过人工，而是自身可以通过外部环境保持洁净的表面。例如，阳光的照射、风的作用以及雨水的冲洗。此外，当水在这固体表面上表现出很明显的疏水性，水滴和涂层表面的接触角大于150°，并且滞后角不超过10°的涂层叫做超疏水涂层。 二、超疏水的理论模型 对大自然中的超疏水表面研究后发现，表面能达到超疏水的两个条件，一是低的表面能，二是表面有粗糙的结构。这里，简要介绍超疏水的理论模型。 1 Wenzel 模型 在1936年，通过热力学定律，Wenzel计算出了液体和不平整表面相接触时产生的接触角，以及液滴和平整表面接触时所产生的接触角之间的关系[1]。 可以有效地运用仿生的方法来在表面构建粗糙度，Woo Kyung Cho和他的团队[3]通过将有机硅水解，然后通过有低表面性质的氟硅进行改性。从而制备得到了有一定粗糙度的超疏水涂层。经过测定发现，水滴在涂层表面的接触角达到了160°以上，并且滞后角为2.4°，这里的粗糙度主要是由于F-的作用。另有团队[4]将γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APS）添加在纳米级的SiO2溶胶中，反应之后，在基材表面经过浸渍提拉法涂层。干燥后在SEM下能看到有微米级的颗粒团聚在一起，这和荷叶表面的结构十分的相似，如此所得的涂层水接触角能够达到156°，滞后角在3°以下，而且在整个过程中的稳定性好，能够在工业上进行推广。 现如今，欧美地区的各国以及我国香港等很多企业都开发出了此类涂料或助剂。此类先进的研究和新的产品对今后自洁领域的进一步扩大有很大的帮助。而基于这一理念的涂层仍是研究的热点。 2 基于超疏水理论的自清洁涂层 在超疏水表面上的水滴能自动收缩成球状，使得其与表面的接触面积在很大程度上减小。如果污染物的表面能高于涂层的表面能，这样，污染物想要附着在
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 学生姓名： 学号： 课程教师：
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
超疏水材料的应用前景
超疏水材料的应用前景 （超疏水材料技术发展及军事应用前景） 超疏水材料技术是涉及生物、物理、化学以及材料等多学科交叉的前沿技术。21世纪以来，在表面科学、仿生学以及多领域学科的交叉融合推动下，新型超疏水材料层出不穷，其优秀的润湿特性和广泛的应用前景，引起了各国的广泛关注。2017年4月，在美国海军研究署等机构支持下，密歇根大学开发出新型自愈型超疏水涂层材料。该材料拥有百倍于同类涂料的耐久性，可为舰船、飞机和战车提供兼具耐久性的防水、防结冰、自清洁能力。 一、超疏水材料技术概述 超疏水性是一种特殊的润湿性，一般指水滴在固体表面呈球状，接触角大于150度，滚动角小于10度。材料表面能（材料表面分子比内部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且当低表面能材料具有微观
粗糙结构时，水滴与材料之间会形成一层空气膜，阻碍水对材料表面的润湿，从而形成超疏水状态。 构造超疏水表面有两种方法，一是在疏水材料表面上构建微观粗糙结构，二是用低表面能物质对微观粗糙表面进行改性。 材料的超疏水性越好，水滴在材料表面上越接近球形，与材料的接触面积越小，越易从材料表面滑落。此外，水滴在超疏水材料表面滚落时可带走污染物，使材料表面保持清洁。因此超疏水材料具有防水、防腐蚀、防冰以及防附着等多重特性。 二、国外超疏水材料技术进展 1. 多学科交叉融合成为超疏水材料技术发展的主要动力 自然界中的动植物表皮具有特殊的微观结构和特殊的润湿性能，为构造超疏水材料提供了启示，如模拟荷叶结构可以获得超疏水性能、模仿鲨鱼皮结构可以获得水下减阻性能等。仿生材料的研究，为超疏水材料的持续进步提供了动力。2017年5月，德国弗莱堡大学开发出一种具有多层结构的自愈型超疏水涂层。这种超疏水材料表面具有类似蛇褪去外皮的特性，可实现表面受损后超疏水性的自愈，为新型耐久自愈型超疏水材料的研发提供了新思路。此外，增材制造、材料计算与模拟仿真等技术的应用，大大简化了材料表面微结构的设计、构造与控制难度，使超疏水材料的制备快速精准，结构和性能可控，实
超疏水材料研究进展
超疏水材料研究进展
超疏水材料研究进展 摘要: 本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b) 图1 接触角示意图