疏水缔合两亲聚合物凝胶的形成规律及性能
超疏水材料研究进展
超疏水材料的研究进展 2015年5月3日
超疏水材料的研究进展 摘要：超疏水性材料因为它独特的性质，而在很多方面得到了广泛的应用。近年来，许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。通过研究这些表面微观结构，人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面，从而更好地满足工业中实际应用的需要。该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象，重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。最后，对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水、仿生、润湿、功能化表面 自然界中，经亿万年的自然选择，许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能，比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。一直以来，这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们，尤其是近几十年，仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。因此，对超疏水材料进行总结和展望，对这种材料的发展有重要的意义。 1超疏水原理 超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解，即指难以湿润的表面，固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一，不仅受到固体表面粗糙度的影响，还受固体表面化学成分的影响，我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。接触角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。当θ=0°时，所表现为完全湿润；当θ<90°时，表面为可湿润，也叫做亲液表面；当θ>90°时，表面则为不湿润的疏离表面；当θ=180°时，则为完全不湿润。一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。 接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标，但并不是唯一指标，在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。但是如果不断增加或减小固体
疏水缔合聚合物的制备
1.1 疏水缔合水溶性聚合物 疏水缔合水溶性聚合物是最近十多年来用于水流体流变性能控制的一种新材料。在水溶性聚合物(通常是聚丙烯酰胺)分子中引入少量的疏水基团就能得到水溶性疏水缔合聚合物。疏水缔合作用是指有机分子溶于水后，水分子要保持其原有的结构而排斥有机分子的倾向，而有机分子倾向于相互聚集以减少与水的接触[1]。在水溶液中，聚合物分子链上的疏水基团之间由于疏水作用而发生簇集，使大分子链产生分子内和分子间缔合，增大了流体力学体积而具有良好的增粘性。在盐溶液中，由于溶液极性增加，使疏水缔合作用增强，表现出明显的抗盐性能。这种聚合物分子量不高，故当受到剪切作用时，其分子链不易剪断，表现出优良的抗剪切性能[2]。 疏水缔合聚合物在水溶液中同时存在分子内和分子间的缔合效应。在蒸馏水中可能是由于受到分子链上的电荷排斥作用，主要靠分子链上的电荷排斥效应使聚合物分子更为舒展，而分子内和分子间的缔合均较少，基本上看不到疏水缔合效果。 溶液矿化度很低时，分子链上的电荷排斥效应占优势，溶液矿化度越高，分子链上的电荷排斥效应越小，疏水缔合聚合物在溶液中分子越卷曲，溶液粘度逐渐降低；当溶液矿化度升高到缔合临界矿化度后，分子内和分子间的缔合效应占优势。分子间的缔合使聚合物产生超分子结构，宏观上表现出“相对分子质量增大”的现象，聚合物溶液粘度增大，而分子内的缔合使聚合物分子大大卷曲，溶液粘度大大下降。在较低矿化度范围内，分子链上的电荷排斥效应还存在，这时发生分子内缔合的概率小于分子间缔合，随着溶液矿化度的增大，分子间缔合效应大于分子内缔合效应，所以粘度升高。在高矿化度范围时，分子链上的电荷排斥效应基本上不存在，这时发生分子内缔合的概率大于分子间缔合，随着溶液矿化度的增大，分子内缔合效应大于分子间缔合效应，因而粘度下降。高价离子降低分子链上电荷排斥的能力更强，疏水缔合聚合物在氯化钙溶液中的增稠曲线相当于在氯化钠溶液中的增稠曲线被压缩和前移。 在较低矿化度和温度范围内，当聚合物浓度大于临界缔合浓度时，发生分子内缔合的概率小于分子间缔合，随着溶液浓度的增大，疏水缔合效果明显，溶液粘度迅速升高；在高矿化度范围时，发生分子内缔合的概率大于分子间缔合，随着溶液浓度的增大，溶液粘度不出现迅速升高的现象。也就是说，矿化度和温度越高，疏水缔合增稠效果越差[3]。 1.2 合成方法 疏水缔合水溶性聚合物由亲水部分和疏水部分组成。亲水部分使聚合物能够
疏水缔合聚合物与三次采油
1.1.1 三次采油概述 石油是重要的能源和化工原料，其作为不可再生的资源越来越宝贵。开发可大幅度提高石油采收率的化学剂，发展三次采油技术是当前迫切的任务[1-2]。 三次采油(简称EOR)，是在注水保持油层压力基础上，又依靠注入大量新的驱油剂，改善油水流度比，降低油水界面张力，不仅进一步扩大了注入水波及范围，而且使分散的束缚在毛细管中的残余油重新聚集而被采出，洗油效率提高，从而能使采收率进一步提高。在EOR技术中，聚合物驱油技术与一般水驱相比可加速采油过程，实施工艺较简单，在我国大庆等油田取得良好试验结果，并已在生产中大规模应用，年增油量达1000万吨。开发新型高效聚合物驱油剂始终是我国采油用化学剂行业的重点研发内容[3]。 在我国油田所进行的三次采油中，聚合物驱发展最快，是提高油气采收率的重要途径。例如在大庆、胜利等油田的现场试验结果表明，采用聚合物驱平均可提高采收率10％，平均每注入1吨聚合物可增油150吨。实践证明以聚合物驱为主的化学驱油方法对采出水驱后的残余油是很有效的，对注水开发的油田也有很好的适应性。但随着油藏开采难度的进一步加大，对驱油用聚合物的耐温耐盐等性能也提出了更高的技术要求，如大庆油田出于环境保护和水资源合理利用的考虑，油田要求利用采出污水配制聚合物水溶液：胜利油田由于有大约三分之二油藏地层条件属高温高矿化度，使其至今没有找到合适的驱替剂，这些都使提高聚合物的抗温抗盐性成为国内外近来研究的焦点。 1.1.2 聚合物驱油[4-5] 聚合物驱和复合驱作为一项重要的三次采油方法近年来引起了国内外石油工程技术人员的广泛重视。其驱替机理主要是通过减少水油的流度比，减少水的指进，达到活塞式驱替，以提高驱油剂的波及指数，从而提高油层的采收率[6-7]。 1.1.3 疏水缔合水溶性聚合物 疏水缔合水溶性聚合物，是指聚合物亲水性大分子链上带有少量疏水基团（摩尔分数为2 %～5 %）的水溶性聚合物[8]。由于其特有的两亲结构使其溶液特性与一般水溶性聚合物溶液大相径庭。在水溶液中，此类两亲聚电解质的疏水基团相互缔合，以及带电离子基团的静电排斥与吸引相互竞争与协同，使大分子链产生分子内或分子间的缔合作用，形成各种不同形态的胶束纳米结构—超分子网络结构[9]。在稀溶液中，大分子主要以分子内缔合为主，使大分子链发生卷曲,流体力学体积减小，特性黏数下降。当聚合物的浓度高于某一临界值时，大分子链形成以分子间缔合作用为主的超分子结构—“动态物理胶联网络结构”，溶液黏度大幅上升。小分子电解质的加入使溶液的极性增加，疏水缔合作用增强[10]，具有明显的抗盐性。在高剪切作用下，疏水聚合物缔合形成的“胶联网络”被破坏，
高聚物结构与性能
1．聚合物表面改性 聚合物表面改性方法可以分为以下几种：化学改性、光化学改性、表面改性剂改性、力化学处理、火焰处理与热处理、偶联剂改性、辐照与等离子体表面改性。 （1）化学改性是通过化学手段对聚合物表面进行改性处理，其具体方法包括化学氧化法、化学浸蚀法、化学法表面接枝等。 化学氧化法是通过氧化反应改变聚合物表面活性。常用的氧化体系有：氯酸-硫酸系、高锰酸-硫酸系、无水铬酸-四氯乙烷系、铬酸-醋酸系、重铬酸-硫酸系及硫代硫酸铵-硝酸银系等，其中以后两种体系最为常用。 化学浸蚀法是用溶剂清洗可除去聚烯烃表面的弱边界层，例如通过用脱脂棉蘸取有机溶剂，反复擦拭聚合物表面多次等。 聚合物表面接枝，是通过在表面生长出一层新的有特殊性能的接枝聚合物层，从而达到显著的表面改性效果。 （2）光化学改性主要包括光照射反应、光接枝反应。 光照射反应是利用可见光或紫外光直接照射聚合物表面引起化学反应，如链裂解、交联和氧化等，从而提高了表面张力。 光接枝反应就是利用紫外光引发单体在聚合物表面进行的接枝反应。 （3）表面改性剂改性 采用将聚合物表面改性剂与聚合物共混的方式是一种简单的改性办法，它只需要在成型加工前将改性剂混到聚合物中，加工成型后，改性剂分子迁移到聚合物材料的表面，从而达到改善聚合物表面性能的目的。 （4）力化学处理是针对聚乙烯、聚丙烯等高分子材料而提出来的一种表面处理和粘接方法，该方法主要是对涂有胶的被粘材料表面进行摩擦，通过力化学作用，使胶黏剂分子与材料表面产生化学键结合，从而大大提高了接头的胶接强度。力化学粘接主要是通过外力作用下高分子键产生断裂而发生化学反应，包括力降解、力化学交联、力化学接枝和嵌段共聚等。（5）火焰处理就是在特别的灯头上，用可燃气体的热氧化焰对聚合物表面进行瞬时处理，使其表面发生氧化反应而达到表面改性的效果。热处理是将聚合物暴露在热空气中，使其表面氧化而引入含氧基团。 （6）偶联剂是一种同时具有能分别与无机物和有机物反应的两种性质不同官能团的低分子化合物。其分子结构最大的特点是分子中含有化学性质不相同的两个基团，一个基团的性质亲无机物，易于与无机物表面起化学反应；另一个基团亲有机物，能与聚合物起化学反应，生成化学键，或者能互相融合在一起。偶联剂主要包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂两大类，其作用机理同表面活性剂的改性机理相同。 （7）辐照改性是聚合物利用电离辐射（直接或间接的导致分子的激发和电离）来诱发一些物理化学变化，从而达到改性的目的。等离子体表面改性是通过适当选择形成等离子体的气体种类和等离子体化条件，对高分子表面层的化学结构或物理结构进行有目的的改性。2．哪些物质能形成液晶，判断、表征 形成液晶物质的条件： （1）具有刚性的分子结构。 （2）分子的长宽比。棒状分子长宽比＞4左右的物质才能形成液晶态；盘状分子轴比＜1/4左右的物质才能呈现液晶态。 （3）具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的凝聚力。这种凝聚力通常是与结构中的强极性基团、高度可极化基团、氢键等相联系的。 液晶相的判断：各种液晶相主要是通过它们各自的光学形态即织构来识别的，即在正交偏光显微镜下可观察到各种不同的由双折射产生的光学图像，这些图像是由“畴”和向错构成的。
疏水缔合聚丙烯酰胺
1.2水溶性疏水缔合聚丙烯酞胺的研究进展 1.2.1水溶性疏水缔合聚合物的溶液性质[33-39] 水溶性疏水缔合聚合物，也包括水溶性疏水改性聚合物，是指在聚合物的亲水性大分子链上含有少量疏水基团的水溶性聚合物，疏水基团的摩尔分数一般不超过2%。与HPAM相比，这类聚合物的分子量不高，但其特有的两亲结构使其溶液特性与一般水溶性聚合物溶液有很大的区别。在水溶液中，水溶性疏水缔合聚合物的疏水基团相互缔合，带电离子基团的静电排斥与吸引作用的相互竞争与协同，使聚合物的大分子链产生分子内或分子间的缔合作用。因此疏水缔合聚合物在溶液中存在一个临界浓度，称为临界缔合浓度(CAC) o 当水溶性疏水聚合物的浓度小于CAC时，链段间的疏水作用主要发生在分子内，分子链发生卷曲，流体力学体积较低，体系的特性粘度较小;随聚合物浓度增大并高于CAC聚合物分子链间疏水作用主要以分子间为主，聚合物分子间由于疏水作用缔合形成大的空间网状结构，即“动态物理交联网络结构”，溶液f}k度显著增大。当溶液中存在电解质时，由于溶液极性增大而使得疏水基团间的疏水缔合作用显著增强，聚合物表现出明显的抗盐性。当对溶液进行高剪切作用时，聚合物的疏水基团缔合形成的“交联网络”结构被破坏，溶液勃度降低;剪切作用消除后，聚合物分子间“交联网络”结构重新形成，粘度重新恢复，与常规聚合物不可逆降解不同，聚合物分子表现出一定的抗剪切性。此外，由于疏水缔合是熵驱动的吸热效应，其溶液具有一定的耐温增粘性。与普通聚合物相比显著的耐温、抗盐性及抗剪切性使得水溶性疏水缔合聚合物在三次采油中能得到广泛的应用。另外水溶性疏水缔合聚合物在涂料、药物缓释、污水处理以及纳米粒子、生物大分子的制备等方面也有很人的应用价值。1.2.2水溶性疏水缔合聚合物单体的合成 水溶性疏水缔合聚合物通常是由亲水单体和疏水单体共聚制得的。常用的亲 水单体是丙烯酞胺(AM)及其衍生物，这主要是由于与其他类型单体相比，丙烯 酸胺及其衍生物非常适用于制备相对分子质量较高的水溶性聚合物，而且根据之 前文献，在水溶液中制备浓度小于1}(摩尔比)的水溶性疏水缔合物时，丙烯 酞胺是最成功的。疏水单体有阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型[[40,41] 而阳离子型(大多为季钱型)疏水单体应用最为广泛。下面我们举例进行介绍。 (1)亲水单体2一甲基一2一丙烯酞胺基一1一丙磺酸(AMPS)的合成(38,42]0 AMP S是丙烯酞胺的衍生物，是常用的水溶性疏水缔合聚合物的亲水单体， 因其分子中的磺酸基团是强酸性基团，故水溶性强，能改善对盐的敏感性，是比 较常用的水溶性疏水缔合聚合物的亲水单体。合成AMPS的反应方程式如下: 罕H3 }___}仇 H2C=C-CH3+HpC=CH-CN一 了HZ-SO’一丫 H3C-了一N=C-CH=CHZ—AMPS CH3 (2)季钱盐型阳离子疏水单体的合成1431 季铰盐型活性单体是很常用的一类阳离子型疏水单体，在这里以嗅化二甲基 十二烷基(2一丙烯酞胺基乙基)钱(DAMAB)为例介绍其合成，DAMAB的熔点为 70.5 }-720C。合成DAMAB的反应方程式如下: PCI3 H,C=CH-C-OH 一-一一，卜H,C=CH-C-CI CC
表征材料疏水性能的指标
表征材料疏水性能的指标：接触角，滚动角（前进接触角和后退接触角之差） 决定因素：材料的表面能，材料的粗超程度。 具有低的表面能和粗超度。 疏水薄膜的化学成分主要考虑有机聚合物, 其疏水分子中除了碳以外, 含有大量低表面能的硅、氟等原子基团, 可以有效的降低材料的表面能, 从而使薄膜对水接触角增大。 氟系有机物、聚氟硅烷( FAS) 、有机硅聚合物等都具有较低的表面自由能, 也是目前研究和应用较多的疏水成膜剂 Takashi Monde 等人利用溶胶- 凝胶法制备了支链状的聚氟硅烷薄膜, 发现其具 有很好的热稳定性, 且具有低表面能的氟化物存在于薄膜的最表层。有机硅聚合物制成的薄膜具有较好的牢固度, 且不影响玻璃光学性能、无毒、无腐蚀, 也是良好的疏水物质。聚四氟乙烯( PTFE) 的特点一方面具有低表面能, 另一方面具有良好的化学稳定性, 但其缺点在于高熔融状态、高粘度和不溶性, 使得它难以制备和操作 除了本身化学组成外, 表面结构也控制着薄膜的浸润性 等人通过溶胶- 凝胶法将表无机疏水薄膜常用的制备方法有采用溶胶- 凝胶法、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积和氟硅表面活性剂原位修饰等。其中化学气相沉积法的原理是把含有构成需要元素的一种或几种化合物、单质气体供给载体, 借助气相作用, 在载体表面上进行化学反应生成要求的薄膜。其中化学气相沉积法制备薄膜产量高, 可在线生产, 能耗低, 比较适合制备金属氧化物多孔薄膜, 但反应条件苛刻, 工艺及装置复杂, 设备投资大。溶胶- 凝胶法是制备无机膜的比较成熟的方法, 一般分为胶体凝胶法和聚合凝胶法。胶体凝面粗糙度控制在20～50nm 之间, 使接触角达到165°。Hong B S 等人利用增加膜层表面粗糙度的方法提高了膜的疏水性, 但获得的透明薄膜不具备减反射性。通过相分离、刻蚀、固体表面添加有机疏水物等方法控制表面粗糙度, 不但可以得到具有预期疏水性能的表面结构, 而且可以同时满足表面的机械特性和透明度等要求。多孔的无机氧化物薄膜与玻璃、陶瓷等结合强度良好, 而且耐高温、耐腐蚀, 绝缘性好, 所以与有机疏水材料的复合将具有优异的综合性能, 在保持材料疏水性的同时对环境具有较好的适应性。比如SiO2 膜由于具有耐热性、耐候性、透明性、低折射性、低介电性等优良性能而在汽车玻璃、厨房用具、建筑玻璃、微电子集成电路等方面表现出广泛的应用前景。但是, SiO2 本身所具有的亲水性限制了其性能的发挥和实际应用。因此, 有必要对硅溶胶进行疏水改性的研究。
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展 摘要随着世界机械化以及工业化的发展，全球的水资源污染逐渐严重，人民群众对于水资源的供应以及淡水资源的处理越发关注，且为水资源处理技术的发展做出了较大贡献。作为水资源净化技术的重要组成部分，油水分离净化技术水平不仅关系着淡水资源的提供质量，而且对于人民群众的身体健康也具有重要影响。基于此，本文将超疏水材料制备及其在油水分离中的应用作为主要研究内容，通过对超疏水材料进行简单阐述，进而对超疏水材料的应用以及其在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。本文旨在为超疏水材料在油水分离中的应用研究提供几点参考性建议，并为水资源的净化处理技术发展提供积极的推动作用。 关键词超疏水材料制备；油水分离；应用研究 前言 由于工业化的发展导致海洋中的水资源污染情况越加恶劣，有大量的油产品以及机溶剂污染流入海洋中，对海洋中的水资源产生了严重破坏，进而为水资源净化技术提出了更高的要求，对人类生存与发展也产生了威胁。基于此种宏观环境，本文对超疏水材料在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。 1 超疏水材料概述 超疏水材料主要是利用其中较为独特的化学结构以及其本身的润湿性能来作为水资源净化技术中的一种使用材料。由于该种材料在材质表面上具有润湿性的特殊原理，并能够作为超疏水材料而应用至油水分离的水资源净化中，其还具有两方面的特征。第一方面，表面为微纳米结构。第二方面，表面具有低表面能的特色。同时，在该种材料的制备过程中还具有成本较低以及制备材料环保的优势。因此，在油水分离的水资源净化中被广泛使用。但在超疏水材料的具体制备中还有耗时周期长的缺点，而该种缺点与实际制备中的优势相比并不对超疏水材料的实际应用构成威胁[1]。 2 超疏水材料的应用 由于超疏水材料在近几年的广泛使用中其本身的特殊性能受到各领域研究人员的关注，进而推动着超疏水材料在多个研究领域以及生活领域被应用。本文将超疏水材料的应用特性总结为以下五个方面。第一方面，自清洁的特性应用。由于超疏水材料本身具有良好的润湿性，在其进行使用的过程中能够对自身的灰尘与脏污进行自行清理。在具体的应用中，将超疏水材料的特性应用在城市高楼的建设中，利用超疏水材料的自清洁特性减少建筑玻璃清洁的次數，降低楼房玻璃清洁的成本，并在一定程度上节约水资源[2]。第二方面，抗冰雪的特性应用。由于在冰天雪地的寒冷地区，电线、航行等方面均会有风雪粘粘，进而导致电力能源的传输问题，并对正常的航行产生困扰。而应用超疏水材料的抗冰雪特性将
结构与性能(聚合物部分)整理
高聚物结构与性能 一、高聚物的分子结构 概念： 1大分子(macromolecule)；是由大量原子组成的，具有相对高的分子质量或分子重量 2聚合物分子(polymer molecule)；也叫高聚物分子，通常简称为高分子，它意味着：(1) 这些部分是由相对低分子质量的分子衍生的单元(所谓的单体单元或链节)；(2) 并且只有一种或少数几种链节；(3) 这些需要的链节多重重复重现 3星形大分子(star macromolecule)；从一个公共的核伸出三个或多个臂(支链)的分子若从一个公共的核伸出三个或多个臂(支链)则称为星型高分子 则称为星型高分子 4共聚物(copolymer)；由两种或两种以上不同单体经聚合反应而得的聚合物 5共聚物分子(copolymer molecule)； 6构型(configuration)；是指分子中通过化学键所固定的原子的空间排列 7构象(conformation)；构象指一个分子中，不改变共价键结构，仅单键周围的原子放置所产生的空间排布（由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为~） 8链段(macromolecular segments)；高分子链上对应于伸直长度和柔性与该高分子链相同的自由连结链内一个统计单元的一段分子链 9高分子链的柔性(flexibility of polymer chain), 高分子链在绕单键内旋转自由度，内旋转可导致高分子链构象的变化，因为伴随着状态熵增大，自发地趋向于蜷曲状态，这种特性就称为高分子链柔性 10聚合度(degree of polymerization); 指聚合物大分子中重复结构单元的数目 11侧基(side group)；连接在有机物碳链上的取代基 12端基(end group)；聚合物分子链端的基团 13无规共聚物(random copolymer)；具有Bernoullian序列统计的统计聚合物（聚合物中组成聚合物的结构单元呈无规排列） 14嵌段共聚物(block copolymer)；由通过末端连接的均匀序列的嵌段组成的共聚物（聚合物由较长的一种结构单元链段和其它结构单元链段构成） 15统计共聚物(statistic copolymer)；通过聚合反应的统计处理给出单体单元在共聚物分子中的序列 16交替共聚物(alternating copolymer)单体单元A和单体单元B在共聚物分子中交替分布
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)
高聚物结构与性能的关系
高聚物结构与性能的关系 1. 高聚物的结构 按研究单元的不同分类，高聚物结构可分为两大类：一类为高聚物的链结构，即分子内的结构，是研究一个分子链中原子或基团之间的几何排列；另一类为高聚物的分子聚集态结构，即分子间的结构，是研究单位体积内许多分子链之间的几何排列。对高聚物材料来说，链结构只是间接影响其性能，而分子聚集态结构才是直接影响其性能的因素。 1.1 高聚物链结构 高聚物的链结构包括近程结构和远程结构。近程结构是指结构单元的化学组成、立体异构、连接顺序、以及支化、交联等；远程结构是指高分子链的构象、分子量等。 高聚物链结构是决定高聚物基本性质的主要因素，各种高聚物由于链结构不同其性质则完全不同。例如，聚乙烯柔软容易结晶，聚苯乙烯硬而脆不能结晶；全同立构聚丙烯在常温下是固休，可以结晶，而无规立构聚丙烯在常温下则为粘稠的液体等。 1.2 高聚物的聚集态结构 高聚物的分子聚集态结构包括晶态、非晶态、液晶态、取向态等；高聚物的分子聚集态结构是在加工成型过程中形成的，是决定高聚物制品使用性能的主要因素。即使具有相同链结构的同一种高聚物，由于加工成型条件的不同，其成型品的使用性能就有很大差别。例如，结晶取向程度不同直接影响纤维和薄膜的力学性能；结晶大小和形态不同可影响塑料制品的耐冲击强度，开裂性能和透明性。 因此对高聚物材料来说，链结构只是间接影响其性能，而分子聚集态结构才是直接影响其性能的因素。研究高聚物分子聚集态结构的意义就在于了解高聚物分子聚集态结构的特征，形成条件及其与材料性能之间的关系，以便人为地控制加工成型条件得到具有预定结构和性能的材料，同时为高聚物材料的物理改性和材料设计建立科学基础。 2.高聚物结构与力学性能的关系 2.1链结构与力学性能的关系 不同的高聚物，有不同的分子结构，当然会显示出不同的材料性能出来。聚
疏水缔合聚合物及其溶液性质
1.1.1 疏水缔合水溶性聚合物的概况 疏水缔合水溶性聚合物（包括水溶性疏水改性聚合物），是指聚合物亲水性大分子链上带有少量疏水基团（摩尔分数为2％～5％）的水溶性聚合物[1~15]。由于其特有的两亲结构使其溶液特性与一般水溶性聚合物溶液大相径庭。在水溶液中，此类两亲聚电解质的疏水基团相互缔合，以及带电离子基团的静电排斥与吸引相互竞争与协同，使大分子链产生分子内或分子间的缔合作用，形成各种不同形态的胶束结构——超分子网络结构。在稀溶液中，大分子主要以分子内缔合为主，使大分子链发生卷曲，流体力学体积减小，特性粘度下降。当聚合物的浓度高于某一临界值时，大分子链形成以分子间缔合作用为主的超分子结构——“动态物理交联网络结构”[16~23]，溶液粘度大幅上升。小分子电解质的加入使溶液的极性增加，疏水缔合作用增强，具有明显的抗盐性。在高剪切作用下，疏水聚合物缔合形成的“交联网络”被破坏，溶液粘度下降；当剪切作用消除后，大分子间交联网络重新形成，粘度再度恢复；而不发生一般高分子聚合物的不可逆剪切降解。此外，由于疏水缔合是熵驱动的吸热效应，其溶液具有一定的耐温增粘性，因此其在涂料、药物缓释、油气开采、污水处理以及生物大分子、纳米粒子制备等方面具有巨大的应用潜力[24~32]。 目前人们对疏水缔合聚合物的研究给予了极大的重视和热情，工作重点主要集中在疏水缔合聚合物的合成、表征和结构研究等工作中。下面我们就来了解下疏水缔合聚合物的合成方法。 1.1.2 疏水缔合聚合物的合成方法 目前，合成疏水缔合水溶性聚合物的方法主要有两种：一种是水溶性单体与疏水性单体共聚；另一种是水溶性聚合物的化学改性。 （1）水溶性单体与疏水性单体共聚法 大多数的疏水缔合水溶性聚合物仍是以丙烯酰胺为单体，与疏水单体经自由基共聚合反应而生成的。目前，主要采用非均相共聚法、均相共聚法、胶束共聚法。 非均相共聚法。该方法是利用机械搅拌使不溶性单体成微细分散状态而实现共聚，但聚合结果或是形成乳胶状物质，或是疏水性单体没有进入形成的聚合物中，因而其效果不好。 均相共聚法。该方法是将水溶性单体与疏水性单体溶于共同的单一溶剂或混合溶剂而实现共聚，这种方法虽可溶解两类不同的单体，但此类溶剂对形成的聚合物不是优良溶剂，所以随着聚合过程的进行，形成的聚合物会不断地从溶剂中析出。由于高分子量聚合物在溶剂中的不溶解性以及在有机溶剂中的链转移作用，致使最终所得的聚合物分子量较低，因而效果也不太好。 胶束共聚法。目前，最常用的方法是胶束共聚法，通过在水中加入适当的表面活性剂来溶解疏水性单体，与水溶性单体进行共聚。大多数缔合物是采用胶束共聚法来制得的。通过研究发现，这类离子型疏水单体的共聚物在水溶液中的临界胶束浓度是胶束共聚中相同疏水链长度的2倍以上，使共聚物具有更强的疏水缔合效应。利用稀释和渗析方法可获得的产品具有较高的增粘效果。 （2）水溶性聚合物的化学改性反应法 水溶性聚合物的化学改性反应法是通过化学反应在聚合物上引入疏水基团，如把长链烷基引入聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酸上。其中，一个重要的类型就是用羟乙基纤维素（HEC）或羟丙基纤维素（HPC）与卤代烷、卤代酸、酸酐、异氰酸酯或环氧化物反应，进行疏水改性从而形成疏水缔合水溶性聚合物。 水溶性聚合物的化学改性方法的方便之处是可以将市场上已有的聚合物作为原料经化学反应引入疏水基团，而且所得产物的分子量较高；其缺点是改性反应涉及粘稠状的聚合物溶液，因混合和反应均匀等方面的困难使之不易进行。为了解决亲水性聚合物与疏水性试剂不互溶
2011-金属基体超疏水表面制备及应用的研究进展
金属基体超疏水表面制备及应用的 研究进展 Progress in Fabrication and A pplicat ion of Superhydrophobic Surfaces on M etal Substrat es 徐文骥,宋金龙,孙 晶,窦庆乐 (大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024) XU Wen ji,SONG Jin long,SUN Jing,DOU Q ing le (Key Labor ator y for Precision and No n traditio nal M achining Technolog y fo r M inistry of Education,Dalian U niversity of T echno logy,Dalian116024,Liaoning,China) 摘要:在介绍润湿性相关理论的基础上,综述了国内外金属基体超疏水表面的制备方法及应用,重点讨论了阳极氧化法、电化学沉积法、化学腐蚀法、化学沉积法、一步浸泡法、热氧化法、模板法、复合法等,及超疏水表面在响应开关、自清洁、流体减阻、耐腐蚀、防冰霜、油水分离、微型水上运输器等方面的应用,最后评述了各种方法的特点,提出了在金属基体上制备超疏水表面所面临的问题。 关键词:金属基体;超疏水表面;研究进展 中图分类号:T G66 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2011)05 0093 06 Abstract:On the basis of the fundamental theories,the fabr ication and application of superhydropho bic surfaces on metal substrates w er e r eview ed.It em phasized to discuss preparation methods of anod ization,electro chem ical depositio n,chem ical etching,chemical deposition,one step solution imm er sion,thermal ox idatio n,template,co mposite,etc.Super hy drophobic surfaces on m etal substrates w ere also summarized in the applicatio n of response sw itch,self cleaning,drag reduction,corro sion resistance,anti icing,w ater and oil m ixture separatio n,miniatur e transporter over w ater.M ean w hile,characteristics of different kinds o f techniques w ere discussed.Finally,the pr oblem s about fabricatio n of super hy drophobic sur faces on m etal substrates w er e bro ug ht fo rw ar d. Key words:metal substrate;superhydropho bic surface;research progr ess 润湿性是固体表面的重要性质之一[1],常用接触角来衡量,当接触角小于90 时为亲水表面,小于5 时为超亲水表面,大于90 时为疏水表面,大于150 时为超疏水表面。在自然界中,到处可见超疏水现象,荷叶、水稻叶子等植物叶片具有自清洁效应,水黾能够毫不费力地站在水面上[2],蝴蝶翅膀能在雨中不被淋湿。1996年Onda等[3]首次报道了人工合成超疏水表面, 1997年,德国植物学家Bar thlott和Neinhuis[4,5]对植物的超疏水性进行了系统研究,发现荷叶的自清洁性是由表面微米结构和表面蜡层共同引起的。江雷等[6]对荷叶的进一步研究,发现微米结构的乳突上还存在纳米结构,而微纳米结构和表面蜡层共同作用是引起荷叶表面超疏水的根本原因。 由于超疏水表面具有自清洁[7,8]、减阻[9-11]、耐腐蚀[12,13]、防结冰[14-19]等特性,而金属材料在工农业生产中又被广泛地应用,因此研究金属基体超疏水表面的制备方法及应用极为重要,也引起了各国研究人员的极大兴趣。 1 相关理论 1.1 Yong氏模型 当少量液滴滴在理想固体(绝对光滑)表面,在固、液、气三相的交界处,由固、液界面经过液体内部至液、气界面的夹角称为接触角 ,其大小满足Yo ng氏方程[20]: cos =( sg- sl)/ lg(1)式中: sg, sl和 lg分别表示固 气、固 液、液 气界面的表面张力。 由式(1)可得,当液体确定时,即 lg确定时,接触
石墨烯疏水性能研究
文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１８)０９Ｇ０９１５６Ｇ０４ 石墨烯疏水性能研究? 洪一跃１,李多生１,叶一寅１,Q i n g h u aQ i n２,邹一伟１,林奎鑫１ (１．南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌３３００６３; ２．R e s e a r c hS c h o o l o fE n g i n e e r i n g,A u s t r a l i a nN a t i o n a lU n i v e r s i t y,A c t o nA C T２６０１,A u s t r a l i a) 摘一要:一通过化学气相沉积(C V D)方法在蓝宝石衬底表面生长石墨烯,探究生长时间对石墨烯疏水性能和微结构的影响.利用接触角测量仪二傅里叶红外光谱仪二拉曼光谱仪二场发射扫描电镜研究石墨烯的疏水性能和微结构.发现生长时间是３０m i n时,石墨烯的接触角最大,为１２９．９６?,表现出疏水性,红外测试表明只有C C,拉曼分析发现在１０~３０m i n的生长时间下,石墨烯都出现了３个特征峰.较大的接触角使石墨烯有望作为疏水材料,甚至可以通过对其疏水改性让它在超疏水领域存在潜在应用. 关键词:一石墨烯;疏水性;接触角;半高宽 中图分类号:一O６４７文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１８．０９．０２９ ０一引一言 １９６６年,M e r m i n和W a g n e r提出的M e r m i nＧW a g n e r理论,指出二维晶体材料不能稳定存在[１],导致二维碳材料的研究一直处于空白阶段.２００４年,英国曼彻斯特大学N o v o s e l o v和G e i m等[２]用机械剥离的方法制备石墨烯,打破了二维晶体材料在常温中无法稳定存在的预言.石墨烯具有优良的导电性二机械性能二电化学性能和催化性能,在电容材料二电极材料二催化剂二生物传感器和润滑添加剂等方面具有很高的应用价值[３Ｇ６].但是到目前为止,人们的研究主要集中在石墨烯的光学二电学性质,对其表面性质研究较少.根据W e n z e l[７]和C a s s i e[８]理论,石墨烯薄膜的表面浸润性质由两个因素决定:薄膜表面粗糙度和表面自由能.L e e n a e r t s等[９]用密度泛函理论计算得出:石墨烯薄膜表面的水分子之间的结合能大于其与石墨烯的吸附能,使得水分子团聚为水滴,石墨烯表现为疏水性. Y o u n g等[１０]制备的外延石墨烯薄膜的接触角为９２?, S h i n等[１１]制备的还原石墨烯薄膜的接触角为１２７?.当材料的接触角＞１５０?时,材料表现为超疏水,此时材料可以通过超疏水表面的构建实现表面自清洁效应.因此,石墨烯的疏水性有望在不久的将来用于疏水甚至超疏水材料的领域[１２Ｇ１３].蓝宝石作为一种窗口材料,在其表面制备出疏水性较高的石墨烯有利于窗口表面的清洁和光的透过,增强了窗口的光学性能.石墨烯在金属衬底[１４Ｇ１５]上的生长相较于绝缘衬底[１６Ｇ１７]上的生长来说更为容易一些,在目前制备石墨烯的众多方法中,化学气相沉积[１８](C V D)法是制备石墨烯的一种重要的生长方法.因此本文采用C V D法在蓝宝石衬底上制备石墨烯,研究生长时间对石墨烯接触角和石墨烯生长质量的影响. １一实一验 １．１一石墨烯的制备 以尺寸为１０mm?１０mm的蓝宝石(０００１)作为生长的衬底材料,然后经丙酮二无水乙醇二去离子水超声清洗２０m i n,待衬底吹干后通过推杆将衬底送入刚玉管中心区域,最后将刚玉反应室抽至真空,检查气密性,开启装置加热程序进行实验,石墨烯C V D生长过程示意图如图１所示.在实验中采用C H４作为碳源气体,H２作为刻蚀气体,A r作为载气,C H４流量为６m L/m i n,H２流量为４０m L/m i n,A r流量为１００m L/m i n,生长温度为１３００?,生长压力约为１０T o r r,生长时间为１０~３０m i n,生长完成后,关闭加热程序,待衬底冷却至室温,关闭气体流量. 图１一C V D生长过程示意图 F i g１C V D g r o w t h p r o c e s s d i a g r a m ６５１９ ０２０１８年第９期(４９)卷 ?基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１５６２０２７,１１７７２１４５);江苏省精密与微细制造技术重点实验室基金资助项目(J K L２０１５００１) 收到初稿日期:２０１８Ｇ０２Ｇ２７收到修改稿日期:２０１８Ｇ０４Ｇ２６通讯作者:李多生,EＧm a i l:d u o s h e n g．l i＠n c h u．e d u．c n 作者简介:洪一跃一(１９９３－),男,安徽安庆人,在读硕士,师承李多生副教授,从事石墨烯材料研究.
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
超疏水高分子薄膜的研究进展(1)剖析
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、
聚合物结构与性能
一、名词解释（5个） 聚合物分子（高聚物分子，通常简称为高分子）：(1)这些部分是由相对低分子质量的分子衍生的单元(所谓的单体单元或链节) (2)并且只有一种或少数几种链节(3)这些需要的链节多重重复重现。 长周期：在纤维轴方向片晶和非晶能重复出现的最短距离，即片晶和非晶的平均厚度之和缚结分子：连结至少两个晶体的分子。 初期结晶：是指液态或气态初步形成晶体的过程 预先成核：晶核预先存在，成核速率与时间无关。 二、概念的区别与联系（4对） 1、微构象与宏构象 微构象：分子中的一小部分由于一个或数个键的内旋转所引起的构象。 宏构象：表示在单键周围的原子和原子基团的旋转产生的空间排列。 2、玻璃化转变温度与熔融温度 玻璃化转变温度：非晶态聚合物或部分结晶聚合物中非晶相发生玻璃化转变所对应的温度。熔融温度：晶体物质由固态向液态转变时固液两相共存的温度。 3. 应力与应变 应力：受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。 应变：物体内任一点因各种作用引起的相对变形。 4、质量结晶度与体积结晶度 质量结晶度：X-射线被高聚物中原子散射的强度与原子所处的状态无关，原子的聚集状态只决定衍射线的位置与形状，不影响总强度。因此可以认为非晶部分的质量与结晶部分的质量之比，等于非晶部分的衍射强度与结晶部分的衍射强度之比。即()。理论上，只要知道晶区和非晶区衍射的X射线的总强度，就可计算结晶度。在实际工作中，只能在一定的角度范围收集衍射强度数据，无法收集到样品衍射或散射X射线的总强度。这样，在所收集的数据中，晶区或非晶区对衍射强度的贡献可能偏高或偏低。所以，应加入比例常数即，，式中，K为比例常数。 体积结晶度：用X-射线衍射法体积结晶度。根据微原纤结构模型即可测得结晶度式中，D为晶片厚度，L为长周期。 三、球晶的光学性质与其内部结构的关系 在正交偏光显微镜下，球晶呈现特有的黑十字消光图像及明暗相间的消光环，其中黑十字消光图像反映的是球晶中晶片的径向生长，消光环反映的是球晶中晶片的扭曲生长。 四、什么是超分子结构？超分子结构参数有哪些？用简述或图示法说明用X-射线图确定超分子结构参数的基本依据。 答：超分子结构：高分子链之间通过强的或弱的相互作用所形成的聚集体。 结构参数：1.结晶度 2. 取向度 3 .晶粒尺寸 4.长周期 X-射线可测定质量结晶度和体积结晶度。 假设：X-射线被高聚物中原子散射的强度与原子所处的状态无关，原子的聚集状态只决定衍射线的位置与形状，不影响总强度。因此可以认为非晶部分的质量与结晶部分的质量之比，等于非晶部分的衍射强度与结晶部分的衍射强度之比。 理论上，只要知道晶区和非晶区衍射的X射线的总强度，就可根据上式计算结晶度。在实际工作中，只能在一定的角度范围收集衍射强度数据，无法收集到样品衍射或散射X射线的总强度。这样，在所收集的数据中，晶区或非晶区对衍射强度的贡献可能偏高或偏低。所以，