超疏水材料
超疏水性材料
超疏水性材料超疏水性材料是一种具有极强疏水性能的材料，其表面能够使水珠快速滚动并迅速脱离表面，同时也能有效地抵御水珠的附着和渗透。
这种材料在各个领域都有着广泛的应用，包括纺织、建筑、医疗和环境保护等方面。
在本文中，我们将探讨超疏水性材料的特性、制备方法以及应用前景。
超疏水性材料的特性主要体现在其表面的微观结构和化学成分上。
通常来说，超疏水性材料的表面会具有微纳米级的结构，这些微观结构能够使水珠无法在其表面停留，从而实现疏水效果。
此外，材料的化学成分也会影响其疏水性能，一些特殊的化学成分能够使材料表面形成疏水膜，从而实现超疏水性。
制备超疏水性材料的方法多种多样，常见的方法包括化学表面修饰、纳米结构构筑和表面涂层等。
化学表面修饰是通过改变材料表面的化学成分来实现疏水性能的提升，这种方法通常会采用化学溶液浸渍或气相沉积等技术。
纳米结构构筑则是通过在材料表面构筑微纳米级的结构来实现超疏水性，常见的方法包括溶液浸渍、模板法和电化学沉积等。
表面涂层是在材料表面涂覆一层特殊的疏水性材料，使其表面具有超疏水性能。
超疏水性材料在各个领域都有着广泛的应用前景。
在纺织领域，超疏水性材料可以用于制备防水、防污的功能性纺织品，如雨衣、户外服装等。
在建筑领域，超疏水性材料可以应用于建筑涂料、玻璃表面处理等方面，起到防水、防污的作用。
在医疗领域，超疏水性材料可以用于制备医疗器械表面，减少细菌附着，起到抗菌的作用。
在环境保护领域，超疏水性材料可以用于油水分离、污水处理等方面，起到净化环境的作用。
总的来说，超疏水性材料具有广阔的应用前景，其制备方法也在不断地得到改进和完善。
随着科技的不断发展，相信超疏水性材料在未来会有更加广泛的应用，为各个领域带来更多的创新和发展。
超疏水材料.
目录
01 超疏水高分子材料的综述
02 超疏水材料的制备
03
超疏水材料的应用
04
研究展望
超疏水高分 子材料的综 述
超疏水的概念
表面的疏水性能通常用表面与水静态的接触 角和动态的滚动角描述。 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。 接触角通常是用接触角测定仪来获得。
超疏水表面的制备
制备原理
一种是在粗 糙表面修饰 低表面能物 质
一种是将疏 水材料构筑 粗糙表面
超疏水表面（材料）制备方法
1、模板法
模板法也称复制模塑法，自20世纪90年代提出以来已经 得到了广泛应用。进入21世纪，复制模塑技术也深入到 超疏水表面的制备研究中，尤其是在仿生超疏水表面的 复制中有着独特的优势。 步骤： 1、复制模塑法是指先用一种预聚物A（一般为PDMS，有 时也可采用溶液）复制出荷叶等超疏水植物叶片表面微 结构； 2、固化A并从荷叶表面剥离，得到负型结构的软膜板B， 然后以此软膜板为图形转移元件，将其表面的负型结构 转移到其他材料C表面，经过2次复制最终得到与荷叶表 面特征相似的仿荷叶微结构。
Cassie模型：气垫模型（由空气和固体组成的固体界面）
超疏水表面的形成原因
固体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同决定： 化学组成结构是内因： 低表面自由能物质如含硅、含氟可以得到疏水的效果， 研究表明，光滑固体表面接触角最大为120°左右。 表面几何结构有重要影响： 具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高疏（亲）水表 面的疏（亲）水性能
液面张力
由于Young方程仅适用于理想中的光滑固体表面，Wenzel和Cassie对粗糙表 面的浸润性进行了研究，并分别各自提出理论
超疏水材料介绍
表观接触角和本征接触角的关系
(3)光滑表面的局限性
① 对一个表面如果仅仅采用化学方法处理，通常仅能使接触角增加到120°
②对于超疏水的自清洁表面，水珠滚落的去污能力比滑落强，而倾斜的光滑表面水 珠多处于滑动状态，见下图。
(4)自然界中动植物超疏水表面结构图
莲花表面
Nature 2004,432, 36)发表
2.5 电纺技术
典型应用：Rutledge等用电纺技术制得PS和PS-b-
PDMS的共混物纤维，如右图。由于PDMS表面能低且
与PS的相容性很差，共混物在纺丝过程中发生相分离
且PDMS向表面富集。电纺得到的混合聚合物无纺布
表面自身所具有的粗糙度及PDMS的富集共同作用，
是接触角达到163°。
电纺法制备的超疏水无纺布的典型形貌
特殊浸润性界面材料 —— 超疏水材料介绍
超疏水材料的影响因素 材料表面结构和疏水性的关系 超疏水表面的制备方法及应用 研究展望
一.超疏水材料的影响因素
1 浸润性是材料表面的重要特征之一。根据水对材料表面润湿性的不同将 材料表面分为亲水性表面和疏水性表面。 1.1 浸润性的表征
接触角：通常以接触角θ表征液体对固体的浸润程度。接触角由表面张
若θ﹤90°，则θ’﹤θ，则亲水性随粗糙度的增加而增加； 若θ﹥90°，则θ’﹥θ，则疏水性随粗糙度的增加而增加。
两个基本前提： ①基底的表面粗糙度与液滴的大小相比可以忽略不计； ②基底表面的几何形状不影响其表面积的大小。 ③适用于中等亲水或者疏水表面。
(2)Cassie模型----气垫模型
核心：Cassie和Baxter指出，液滴在粗糙表面的接触是一种复合接触。 复合接触：微细结构的表面因为结构尺度小 于表面液滴的尺度，当表面疏水性较强时， Cassie认为在疏水表面上的液滴并不能填满 粗糙表面上的凹槽，在液珠下有截留的空气 存在，于是表观上的液固接触面其实由固体 和气体共同组成，见右图：
超疏水材料
面特征相似的仿荷叶微结构编辑。课件
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模板法
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2.等离子体法
✓ 等离子体：是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离 后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存 在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在 的第四态。
✓ 等离子体法原理：利用等离子体对表面进行处理，获得 粗糙结构，从而得到超疏水性的材料表面。
面的疏（亲）水性能
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超疏水表面的制备
一种是在粗 糙表面修饰 低表面能物
质
制备原理
✓ 一种是将疏 水材料构筑 粗糙表面
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超疏水表面（材料）制备方法
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1、模板法
✓ 模板法也称复制模塑法，自20世纪90年代提出以来已经 得到了广泛应用。进入21世纪，复制模塑技术也深入到 超疏水表面的制备研究中，尤其是在仿生超疏水表面的
✓ 优点：快速、选择性高、表面均匀
✓ 缺点：设备昂贵，且不利于大面积制备。
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3.化学气相沉积法
✓ 原理：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室 内，然后它们相互之间发生化学反应，形成一种新的材 料，沉积到晶片表面上。化学气相沉积法是传统的制备 薄膜的技术。
✓
✓ 超疏水的表征量 ✓ 静态接触角：越大越好 ✓ 滚动角：越小越好
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接触角和滚动角
✓ 滚动角（SA）：滚动角是指液滴在 ✓ 倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表
Hale Waihona Puke ✓ 面与水平面所形成的临界温度。等于 ✓ 前进角和后腿脚之差。 ✓ 前进角：液固界面取代气固界面后形 ✓ 成的接触角叫做前进角； ✓ 后腿角：气固界面取代液固界面后形 ✓ 成的接触角叫做后退角。
超疏水材料
超疏水材料喝酸奶最享受的过程是啥，舔盖啊！不过这个乐趣在15年的9月份，被日本的一家企业终结了，他们发明了一种酸奶不沾盖。
运用的是一种超疏水材料超疏水的研究开始于一句诗句，出淤泥而不染，濯清涟而不妖，为什么荷花会出淤泥而不染呢，就在于荷花表面有一层超疏水材料，使得水流聚股留下，荷叶的这种自清洁现象也叫荷叶效应结构：目前，我们定义超疏水材料表面稳定接触角要大于150°。
植物叶子表面有许多丛生的放射状微茸毛，该微茸毛尖端极易亲水，入水后能瞬间锁定水分子，使叶片表层到茸毛尖端之间形成了一薄层空气膜，从而避免叶片与水直接接触。
所以超疏水材料特点是疏水层呈现纳米级的凹凸不平，就是比较粗糙。
这样可以更大程度的减少水珠和材料表面接触。
性能：超疏水制备：制备超疏水材料需要：1.在疏水材料表面上构建微观结构。
2.是在粗糙表面上修饰低表面能物质。
由于降低表面自由能在技术上容易实现，因此超疏水表面制备技术的关键在于构建合适的表面微细结构。
注：表面能：恒温，恒压，恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功。
例：石块砸碎的过程增大了表面能（石块砸碎的过程相当于创造了一个新的物质表面。
石块破碎需要破坏内部化学键，表面能就是对分子化学键破坏的度量。
）主要制备方法：1、蒸汽诱导相分离法2、模板印刷法3、电纺法4、溶胶-凝胶法5、模板挤压法6、激光和等离子体刻蚀法7、拉伸法8、腐蚀法9、其他方法：电沉积、紫外光照射等使用性能：新型超疏水材料的将十分广泛：室外天线上，可以防积雪；远洋轮船，可以达到防污、防腐的效果；石油管道的输送；用于微量注射器针尖，可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由此带来的对针尖的污染；防水和防污处理。
一次世界机器人建模奥利匹克竞赛上有个选手计划制作在水上行走的蜘蛛，可是失败了，如果加上那个超疏水膜的话，应该能够成功，所以说超疏水材料有着巨大的发展前景。
在不久将来肯定会应用于更多的领域。
超疏水材料的看法
超疏水材料的看法
超疏水材料是一种具有特殊表面结构的材料，它能够高度排斥水分，使水滴在表面上迅速滚落，甚至能够形成水珠不易附着的效果。
这种材料具有许多优点，如自清洁、抗污染、抗霉菌和防腐蚀等。
对于某些领域的应用来说，超疏水材料可以提高材料的性能和寿命。
首先，超疏水材料可以应用于建筑材料中，如玻璃、金属、陶瓷等，可以保持表面清洁，减少污染物附着，提高建筑物外墙的美观性和持久性。
其次，超疏水材料也可以应用于纺织材料中，用于制作防水衣物、雨伞、鞋子等产品，能够有效地防止水分进入，让人们在雨天保持干燥舒适。
此外，超疏水材料还有潜在的应用于医疗领域，如制作抗菌衣料、医疗器械表面涂层等，可以减少菌群滋生和交叉感染的风险。
然而，超疏水材料也存在一些挑战和限制。
首先，制造这类材料的成本可能较高，这在大规模应用中可能成为制约因素。
其次，超疏水表面在受到磨擦或损伤后，可能会降低其抗水性能。
最后，对于一些特定液体，如油，超疏水材料的效果可能不明显。
总的来说，超疏水材料在许多领域具有广阔的应用前景，可以
带来许多优势和功能。
随着技术的不断进步，可以预计超疏水材料的性能和可持续性将进一步提高，从而扩大其应用范围。
超疏水材料的设计与制备
超疏水材料的设计与制备近年来，超疏水材料备受关注，因其在自洁、防污、抗污染等领域具有广泛应用前景。
本文将讨论超疏水材料的设计原理以及制备方法。
一、超疏水材料的设计原理超疏水材料的疏水性主要取决于其表面的微观结构和化学成分。
常见的超疏水材料设计原理包括微结构模仿与表面修饰两种。
微结构模仿是通过模仿自然界中一些生物体表面的特殊结构，实现超疏水性。
例如，莲叶表面是超疏水的，其疏水性能源于其微米级的细疙瘩结构和纳米级的蜡质颗粒。
将这种微结构复制到材料表面，可以使其具有类似的超疏水性能。
表面修饰是通过在材料表面改变其化学成分，实现超疏水性。
这种方法通常包括两个步骤：首先，将材料表面处理成亲水性；然后，通过化学反应将亲水表面转变为疏水表面。
具体的表面修饰方法包括化学气相沉积、溶液浸渍和化学修饰等。
这些方法可以改变材料表面的化学成分，使其具有疏水性。
二、超疏水材料的制备方法超疏水材料的制备方法多种多样，根据具体需求的不同，选择适合的制备方法至关重要。
下面将介绍几种常用的制备方法。
1. 纳米粒子法纳米粒子法是一种常见的制备超疏水材料的方法。
首先，通过化学合成或物理方法获得一定大小的纳米粒子；然后，在材料表面涂覆一定厚度的纳米粒子，形成类似于莲叶表面的微结构，从而实现超疏水性。
2. 化学修饰法化学修饰法是通过在材料表面进行一系列的化学反应，改变其化学成分，实现超疏水性。
常用的化学修饰方法包括硅烷偶联剂修饰、金属有机骨架材料修饰等。
3. 高分子涂层法高分子涂层法是通过在材料表面涂覆一层高分子材料，形成一定的表面结构和化学成分，实现超疏水性。
常用的高分子材料包括聚四氟乙烯、聚合物聚合方法和聚合物共挤出法等。
三、超疏水材料的应用前景超疏水材料具有广泛的应用前景。
以下是几个典型的应用领域。
1.自洁涂料超疏水涂料能够使涂层表面形成微细的颗粒结构，使污染物无法附着在涂层表面，从而实现自洁效果。
这种自洁涂料可以应用于建筑、汽车、船舶等领域。
超疏水材料发展趋势
江雷研究小组采用化学气相沉积法构建了表面具有纳米
亚微米的双微观结构的Zn0薄膜，测得这种薄膜的静态接触 角可高达164.3°， Zn0薄膜具有如此优良的疏水性能更进 一步印证了纳米亚微米的双微观结构是构建超疏水表面的必 要条件。该小组还通过反复实验探究了Zn0薄膜超疏水性与 亲水性之间的可逆转变。与此同时，他们还在石英基底上采 用化学气相沉积法构建了阵列碳纳米管(ACNT)膜测得该膜 表面的静态接触角为158.5°，如果对该膜用氟硅烷进行修 饰后，碳纳米管膜表现良好的超双疏性(既疏水又疏油)，测 得油和水的静态接触角分别为161°和171°。
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在微流体控制方面的应用
超疏水材料表面所具有的不浸润性及低表面粘滞力，使 其在微流体控制应用方面也有十分出色的表现。比如控制微 液滴的运动和流动，并以此制造微液滴控制针头，使得在实 验或者生产过程中对液体滴加计量能够精确控制，实验试剂 的添加将更得心应手。如果将这类技术运用到诸如静电喷涂 领域，比如用超疏水材料制造喷漆喷胶等的喷头，将会使喷 涂的液滴更加均匀，雾化效果更好，可以运用在对喷涂效果 有特殊要求的场合。另外如果以这类材料制作毛细管类的材 料，将会使液滴的虹吸量更少，可以制造体积更小精密度更 高的液体传输设备。
在倾斜表面，在水滴即将滚落下的临界状态下，水滴前部和尾部形 成两个不同的接触角θa和θr。接触角滞后值是这两个角的差值，可以用 于表征固体表面所呈现出的亲－ 疏水状态。液滴的滚动特性随着该接触 角的滞后值的上升而减弱。
综上所述，固体与液体的相互浸润性的好坏及其所表现出的亲－ 疏 水性是由接触角和滚动角两者共同表征。接触角越大和滚动角越小说明 材料表面的疏水性越强。
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在船舶提高浮力方面的应用
据实验观察不论是在水面的滑行、跳跃还 是快速掠过水黾都既不会滑破水面更不会浸湿 腿部。因而也就被美誉为“池塘中的溜冰者”根 据这一现象科学家经过论证得出水水黾特殊腿 部微纳米结构和水面间形成的“空气垫”阻碍了 水黾的浸润,让它们实现了自然界版的“水上漂”。 据了解利用新型超疏水材料制成的超级浮力材 料河以使船表面具有超疏水性并因此在其表面 形成具体版的“空气垫” 改变船与水的接触状态 防止船体表面被水浸湿进而使其在水中运行的
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二、制备方法
• • • • • • • • • 1、蒸汽诱导相分离法 2、模板印刷法 3、电纺法 4、溶胶-凝胶法 5、模板挤压法 6、激光和等离子体刻蚀法 7、拉伸法 8、腐蚀法 9、其他方法：电沉积、紫外光照射等
溶胶—凝胶法
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 板挤压法用有机硅超分子材料制 备了超疏水表面 , 接触角可以达 到165 ° 。这可能是由于有机硅 分子在纳米结构上发生重排 , 使 得疏水基团向外 , 亲水基团向内 并形成分子间氢键 , 体系表面能 降低造成的。 模板挤压法效果好、 工艺较 简单 , 但如何获得价格便宜、 尺 寸大并且性能可靠的模板是关键。
超疏水材料
目录
一、结构、制备 二、功能、应用 三、发展前景 四、自然界中的超疏水现象
一、结构 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。
超疏水表面在减阻中的应用
船只等在水面航行时需要消耗很多的能源来克服行进 中的摩擦阻力，对于水下航行体如潜艇等甚至可达到80%； 而对于运输管道如输油（水）管道，其能量几乎全部被用 来克服流固表面的摩擦阻力。随着微机电的发展, 机构尺 度越来越小，固液界面中的摩擦力相对越来越大,如微通 道流等摩擦阻力问题已成为相关器件发展的一个重要的制 约因素。因此尽量减少表面摩擦阻力是提高航速和节约能 源的主要途径。近年来利用超疏水表面减阻的研究越来越 受研究者的重视。如利用超疏水硅表面进行减阻研究中发 现，减阻可达30%-40%。利用改性硅橡胶和聚氨酯树脂 为主，添加低表面能无机填料或有机填料，在制成的双组 分涂料的疏水表面减阻的实验中发现，在相对较低的流速 时，其最大表面减阻可达30%，但随着流速的增加这种减 阻效果下降，原因归于表面粗糙度的影响。目前，有关这 方面的研究有待进一步深入。
展望
存在的问题：
1、成本高。材料的开发涉及较贵的地表面能物质，如含氟或硅烷的化合 物 2、制作疏水材料的设备要求高、条件苛刻、周期长 3、由于表面的特殊微结构，导致机械强度差，易被外力破坏，限制了使 用 4、疏水性持久性不强，已被油性物质污染
发展方向：
1、既疏水又疏油的超双疏材料的研究，既要实现通过外部刺激实现表
荷叶效应——超疏水性原理
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。
面自由能的切换或开关功能 2、表面微结构的几何形貌，尺寸与表面浸润性，尤其是滞后角直接联 系的定量研究还有待深入 3、应用领域有待拓展 4、