创新超疏水微结构的物性与加工方法的研究(PPT22张)
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超疏水表面的研究进展幻灯片PPT
❖ 模板法 ❖ 刻蚀法〔射频等离子体、激光〕：2005年ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱim等使用辉光放电射频等离子体技
术, 静态接触角达170° ，外表的平均粗糙度只有10nm, 这是文献报道的外表构 造尺寸最小的超疏水外表〔快速、选择性高、昂贵、不适用大面积〕 ❖ 层层自组装法〔根据聚合物分子的极性不同,通过静电交互作用和氢键键合, 在物 质外表形成化学构造可控、厚度为分子量级的薄膜〕 ❖ 电纺丝技术 ❖ 化学气相沉积 ❖ 机械拉伸 ❖ 聚合物溶液成膜 ❖ 直接成膜
超疏水外表的研究进展幻 灯片PPT
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超疏水外表
❖ 固体外表的润湿性主要由外表化学组成和外 表微观构造共同决定
❖ 超疏水是指固体外表表观接触角超过150°的 一种特殊外表现象
超疏水外表的构建方法
在外表粗糙构造上修饰低外表能疏水物质 在低外表能疏水材料上构建微观粗糙构造
粗糙度：静态接触角，接触角滞后
❖ 溶胶－凝胶法〔利用含有高化学活性组分的化合物作前驱体进展水解, 得到溶胶 后使其发生缩合反响, 在溶液中形成稳定的凝胶, 最后枯燥凝胶〕
超疏水行为调控
❖ 机械振动〔李文等提示了振动可能改变触角 滞后和引起复合接触与非复合接触的转换〕
❖ 压强〔接触角滞后的变化、复合接触与非复 合接触的转变〕
❖ 光〔氧化锌外表能变化〕 ❖ 温度 ❖ 电压
❖ 外界作用的本质在于为液滴提供了抑制润湿系统自 由能垒的附加能, 可以减小液滴的滞后性, 使液滴较 易滚动
❖ 如果外界提供的附加能到达一临界值, 液滴就会抑制 更大的能垒由复合接触转变为非复合接触, 导致液滴 滚动困难, 反倒不利于超疏水性
术, 静态接触角达170° ，外表的平均粗糙度只有10nm, 这是文献报道的外表构 造尺寸最小的超疏水外表〔快速、选择性高、昂贵、不适用大面积〕 ❖ 层层自组装法〔根据聚合物分子的极性不同,通过静电交互作用和氢键键合, 在物 质外表形成化学构造可控、厚度为分子量级的薄膜〕 ❖ 电纺丝技术 ❖ 化学气相沉积 ❖ 机械拉伸 ❖ 聚合物溶液成膜 ❖ 直接成膜
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超疏水外表
❖ 固体外表的润湿性主要由外表化学组成和外 表微观构造共同决定
❖ 超疏水是指固体外表表观接触角超过150°的 一种特殊外表现象
超疏水外表的构建方法
在外表粗糙构造上修饰低外表能疏水物质 在低外表能疏水材料上构建微观粗糙构造
粗糙度：静态接触角，接触角滞后
❖ 溶胶－凝胶法〔利用含有高化学活性组分的化合物作前驱体进展水解, 得到溶胶 后使其发生缩合反响, 在溶液中形成稳定的凝胶, 最后枯燥凝胶〕
超疏水行为调控
❖ 机械振动〔李文等提示了振动可能改变触角 滞后和引起复合接触与非复合接触的转换〕
❖ 压强〔接触角滞后的变化、复合接触与非复 合接触的转变〕
❖ 光〔氧化锌外表能变化〕 ❖ 温度 ❖ 电压
❖ 外界作用的本质在于为液滴提供了抑制润湿系统自 由能垒的附加能, 可以减小液滴的滞后性, 使液滴较 易滚动
❖ 如果外界提供的附加能到达一临界值, 液滴就会抑制 更大的能垒由复合接触转变为非复合接触, 导致液滴 滚动困难, 反倒不利于超疏水性
超疏水材料 ppt课件
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。
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超疏水材料
超疏水材料ຫໍສະໝຸດ 精品资料你怎么称呼老师？ 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是
否会认为老师的教学方法需要改进？ 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？
教师的教鞭 “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，
没有学问无颜见爹娘 ……” “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
目录
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。
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 。
超疏水原理ppt课件
角为滚动角( sliding angle , SA)α
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18
精品课件
19
Wenzel模型和Cassie模型
正如上面所讨论的，Wenzel模型和 Cassie模型都认为固体表面的粗糙度可以 增强其表面的疏水性，但两者内在机制却 是不一样的。
滚动角的大小表征了固体表面的滞后现 象，只有拥有较大的接触角和较小的滚动 角才是真正意义上的超疏水表面。
为表面粗糙因子其值为表面的实际面积不几何投影面积之比为表面粗糙因子其值为表面的实际面积不几何投影面积之比14cassie方程cassie发展了wenzel理论假定水不空气的接触角为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c15cassie方程为水不固体接触的面积不水滴在固体表面接触的总面积之比
与几何投影面积之比
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12
r 为表面粗糙因子,其值为表面的实际面积
与几何投影面积之比
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13பைடு நூலகம்
Cassie方程
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
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14
Cassie方程
超疏水涂层导读
辛辉 金桃燕
精品课件
1
内容简介
1.超疏水现象 2.超疏水表面的基本理论 3.超疏水表面的构造方法 4.超疏水性的功能及应用 5.目前研究与实用的状况
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2
超疏水现象
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3
精品课件
4
超疏水表面基本理论
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5
杨氏方程
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
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18
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19
Wenzel模型和Cassie模型
正如上面所讨论的，Wenzel模型和 Cassie模型都认为固体表面的粗糙度可以 增强其表面的疏水性，但两者内在机制却 是不一样的。
滚动角的大小表征了固体表面的滞后现 象，只有拥有较大的接触角和较小的滚动 角才是真正意义上的超疏水表面。
为表面粗糙因子其值为表面的实际面积不几何投影面积之比为表面粗糙因子其值为表面的实际面积不几何投影面积之比14cassie方程cassie发展了wenzel理论假定水不空气的接触角为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c15cassie方程为水不固体接触的面积不水滴在固体表面接触的总面积之比
与几何投影面积之比
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12
r 为表面粗糙因子,其值为表面的实际面积
与几何投影面积之比
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13பைடு நூலகம்
Cassie方程
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
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14
Cassie方程
超疏水涂层导读
辛辉 金桃燕
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1
内容简介
1.超疏水现象 2.超疏水表面的基本理论 3.超疏水表面的构造方法 4.超疏水性的功能及应用 5.目前研究与实用的状况
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2
超疏水现象
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3
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4
超疏水表面基本理论
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5
杨氏方程
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
超疏水材料发展趋势ppt课件
10
模板法不需要复杂加工设备，模板可以使用多次，但也 有不足之处，如复杂形状的表面用模板法制备较困难且效率 低;用PDMS复型得到的软模板力学性能不佳，在使用过程中 会出现坍塌、撕裂或粘连等现象，复型难以达到精确控制， 无法复制精度小于50nm的微细结构。目前，用模板法制备 超疏水表面以聚合物超疏水表面为主，实验结果仍停留在实 验室阶段，制备大面积超疏水表面的工作仍有一定难度。
12
化学刻蚀法制备超疏水表面有较好的选择性，并 且可以对复杂形状的物体表面进行刻蚀，效率高，成 本低，但也有不足，如过度刻蚀对表面造成损伤，破 坏基体材料的力学性能，刻蚀过程中会产生废液，需 要处理。
13
电化学方法
X.Zhang等采用电化学方法，聚合物电解质对硅片表面 进行修饰以后，基底硅片表面上覆盖了大量金的树枝状分形 结构，制得表面具有较大接触角及较小滚动角，这说明了被 金树枝状结构覆盖的表面具有非常好的超疏水性能。 江雷等采用电纺技术，聚苯乙烯作为反应物，构建了一 种类似某些生物的微纳米双微观的的复合结构，生成了一层 超疏水膜。SEM扫描照片中观察到生成的纳米纤维将多孔微 球“捆绑”住，这样不仅提高了结构的稳定性，而且也模拟 了荷叶的复合结构。
立刻铺展开，展示出超亲水的性质;当材料表面接触角大于 90 °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 150°，滚动接触角小于10°，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 150°，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。我们研究的 重点是超疏水表面。
Nano-care 功能型面料;德国巴斯夫( BASF) 公司
也将荷叶效应应用到纺织品上，开发出具有超疏 水自清洁功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。
模板法不需要复杂加工设备，模板可以使用多次，但也 有不足之处，如复杂形状的表面用模板法制备较困难且效率 低;用PDMS复型得到的软模板力学性能不佳，在使用过程中 会出现坍塌、撕裂或粘连等现象，复型难以达到精确控制， 无法复制精度小于50nm的微细结构。目前，用模板法制备 超疏水表面以聚合物超疏水表面为主，实验结果仍停留在实 验室阶段，制备大面积超疏水表面的工作仍有一定难度。
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化学刻蚀法制备超疏水表面有较好的选择性，并 且可以对复杂形状的物体表面进行刻蚀，效率高，成 本低，但也有不足，如过度刻蚀对表面造成损伤，破 坏基体材料的力学性能，刻蚀过程中会产生废液，需 要处理。
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电化学方法
X.Zhang等采用电化学方法，聚合物电解质对硅片表面 进行修饰以后，基底硅片表面上覆盖了大量金的树枝状分形 结构，制得表面具有较大接触角及较小滚动角，这说明了被 金树枝状结构覆盖的表面具有非常好的超疏水性能。 江雷等采用电纺技术，聚苯乙烯作为反应物，构建了一 种类似某些生物的微纳米双微观的的复合结构，生成了一层 超疏水膜。SEM扫描照片中观察到生成的纳米纤维将多孔微 球“捆绑”住，这样不仅提高了结构的稳定性，而且也模拟 了荷叶的复合结构。
立刻铺展开，展示出超亲水的性质;当材料表面接触角大于 90 °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 150°，滚动接触角小于10°，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 150°，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。我们研究的 重点是超疏水表面。
Nano-care 功能型面料;德国巴斯夫( BASF) 公司
也将荷叶效应应用到纺织品上，开发出具有超疏 水自清洁功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。
超疏水表面的制备 结构与性能研究
3、抗腐蚀性能：通过浸泡实验和电化学测试，评估制备的超疏水金属表面在 腐蚀环境中的抗腐蚀性能。
五、结果与讨论实验结果表明
六、结论本次演示研究了仿生超 疏水金属表面的制备工艺和性能 测量方法
展望未来，超疏水表面在各个领域的应用前景仍然广阔。本次演示的研究成果 对实际应用具有一定的指导意义，但仍需从以下方面进行深入研究：1）优化 制备工艺，提高超疏水表面的批量生产能力；2）研究超疏水表面的抗生物污 损性能，拓展其在生物医学领域的应用；3）探究超疏水表面在其他极端环境 （如高温、低温、强辐射等）下的稳定性和耐久性。
参考内容二
摘要：本次演示旨在研究仿生超疏水金属表面的制备工艺和性能测量方法。首 先，本次演示介绍了超疏水表面的相关理论和知识，为后续制备和性能研究提 供理论基础。接着，本次演示详细阐述了仿生超疏水金属表面的制备工艺和方 法，包括表面微结构加工、低表面能物质修饰等关键环节。
最后，本次演示介绍了性能测量方法，对制备出的仿生超疏水金属表面进行了 水滴接触角、耐久性和抗腐蚀性能等指标的测量和分析。实验结果表明，所制 备的仿生超疏水金属表面具有优异的水滴接触角、耐久性和抗腐蚀性能。
3、表面修饰法：采用表面修饰法将低表面能物质与金属表面牢固结合，提高 其耐久性和稳定性。
四、性能测量方法为评估仿生超 疏水金属表面的性能，本次演示 采用以下方法进行测量：
1、水滴接触角：通过静态接触角测量仪测量水滴在表面上的接触角，评估其 疏水性能。
2、耐久性：通过摩擦实验和热稳定性实验，考察制备的超疏水表面在不同条 件下的耐久性和稳定性。
2、低表面能物质：低表面能物质如氟化物或硅氧烷可以显著降低表面的水滴 滚动阻力。通过选择合适的低表面能物质和制备工艺，可以获得具有优异超疏 水性能的表面。
超疏水材料的加工PPT课件
第11页/共24页
超疏水材料的制备方法
聚苯乙烯 Chen等利用纳米球刻蚀的方法首先得到了排列整齐的单层
( PS)纳米珠阵列 ,再用氧等离子体处理以进一步减小纳米珠的尺寸从而得到粗糙 表面 (图 18)。在其表面覆盖 20 nm厚的金膜并用十八硫醇(ODT)进行修饰可以增 强其疏水性。通过调整 PS纳米珠的直径 (440～190 nm)可以控制表面接触角的 大小 (132° ～168° )。
第15页/共24页
超疏水材料的制备方法
江雷等以聚苯乙烯 ( PS)为原料 ,制备了一种具有新颖的多孔微球与纳米纤维 复合结构的超疏水薄膜，其中多孔微球对薄膜的超疏水性起主要作用 , 而纳米纤 维则交织成一个三维的网络骨架 ,“ 捆绑 ” 住多孔微球 , 增强了薄膜的稳定性。
利用电纺技术得到的复合结构 PS薄膜: ( a～c) SEM图 , ( d) 水滴的形貌图第1(6接页触/共角24为页160.4° )
14超疏水材料的制备方法江雷等利用化学气相沉积法在石英基底上制备了各种图案结构的阵列碳纳米管膜结果表明水在这些膜表面的接触角都大于160滚动角都小于5纳米结构与微米结构在表面的阶层排列被认为是产生这种高接触角低滚动角的原因
目录
1.
研究水凝胶的目的
2.
目前国内外研究现状
3.
目前研究内容
4
现阶段研究进展
第18页/共24页
超疏水材料的应用
新型超疏水材料的应用将十分广泛： ▲ 沙漠集水； ▲ 远洋轮船船底涂料，可以达到防污、 防腐的效果； ▲ 室外天线上，建筑玻璃，汽车、飞 机挡风玻璃上，可以防积雪，自清洁； ▲ 冰箱、冷柜等制冷设备的内胆表面 上，凝聚水、结霜 、结冰现象； ▲ 天然气、石油管道内壁表面超疏水 分子膜； ▲ 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； ▲ ………
超疏水材料的制备方法
聚苯乙烯 Chen等利用纳米球刻蚀的方法首先得到了排列整齐的单层
( PS)纳米珠阵列 ,再用氧等离子体处理以进一步减小纳米珠的尺寸从而得到粗糙 表面 (图 18)。在其表面覆盖 20 nm厚的金膜并用十八硫醇(ODT)进行修饰可以增 强其疏水性。通过调整 PS纳米珠的直径 (440～190 nm)可以控制表面接触角的 大小 (132° ～168° )。
第15页/共24页
超疏水材料的制备方法
江雷等以聚苯乙烯 ( PS)为原料 ,制备了一种具有新颖的多孔微球与纳米纤维 复合结构的超疏水薄膜，其中多孔微球对薄膜的超疏水性起主要作用 , 而纳米纤 维则交织成一个三维的网络骨架 ,“ 捆绑 ” 住多孔微球 , 增强了薄膜的稳定性。
利用电纺技术得到的复合结构 PS薄膜: ( a～c) SEM图 , ( d) 水滴的形貌图第1(6接页触/共角24为页160.4° )
14超疏水材料的制备方法江雷等利用化学气相沉积法在石英基底上制备了各种图案结构的阵列碳纳米管膜结果表明水在这些膜表面的接触角都大于160滚动角都小于5纳米结构与微米结构在表面的阶层排列被认为是产生这种高接触角低滚动角的原因
目录
1.
研究水凝胶的目的
2.
目前国内外研究现状
3.
目前研究内容
4
现阶段研究进展
第18页/共24页
超疏水材料的应用
新型超疏水材料的应用将十分广泛： ▲ 沙漠集水； ▲ 远洋轮船船底涂料，可以达到防污、 防腐的效果； ▲ 室外天线上，建筑玻璃，汽车、飞 机挡风玻璃上，可以防积雪，自清洁； ▲ 冰箱、冷柜等制冷设备的内胆表面 上，凝聚水、结霜 、结冰现象； ▲ 天然气、石油管道内壁表面超疏水 分子膜； ▲ 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； ▲ ………
超疏水材料研究进展PPT
Sun 等课题组成员为了获取具有荷叶结 构的超疏水表面， 在聚二甲基硅氧烷表面 进行模板法得到了具有荷叶结构的凹模板， 再使用该凹模板得到具有与荷叶表面结构 类似的凸模板， 在扫描电镜下看到了具有 粗糙结构的表面，展现了良好的超疏水性 能。
Manhui Sun,et al.Artificial Lotus Leaf by NanocastingLangmuir, Vol. 21, No. 19, 2005 8979.
J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 9049–9056
三、光催化超疏水材料研究进展
一、研究背景
Wenzel 模型
cosɵW =rcosɵe
式中，θW为表观接触角，(°)；θY为理想表面 的本征接触角，(°)；λ 表示粗糙度因子，是 真实固液界面接触面积与表观固液界面接触面 积的比值，λ≥1
ห้องสมุดไป่ตู้
Cassie模型
cosɵc =f1cosɵ1 + f2cosɵ2
将表面组成分量加入方程中式中，f1和 f2分别 为复合表面中固相与气相的表面积分数，%； θ1和θ2分别为它们的接触角
一、研究背景
Young方程——理想、平滑的固体表面
cosɵ =(γ -γ )/ γ
sg ls lg 式中，γsg、γsl、γlg分别表示固气、固液以及液气之间的界 面张力，N/m
Θ < 90°，表现出亲水的性质， Θ > 90°，表现出疏水的性质
Young Equation
Young方程解释了接触角 和表面能的关系
通过双层涂层制备长期耐用的超疏水和（同时）抗
反射表面，该双层涂层包含部分嵌入通过溶胶生产的有 机二氧化硅粘合剂基质中的三甲基硅氧烷（TMS）表面 功能化的二氧化硅纳米颗粒-凝胶过程。首先将致密且均 匀的有机硅胶层涂覆到玻璃基板上，然后在其上沉积三 甲基硅烷化的纳米球基超疏水层。在热固化之后，两层 变成整体膜，并且疏水性纳米颗粒被永久地固定到玻璃 基板上。经过这种处理的表面在户外暴露2000小时期间 显示出极好的防水性（接触角CA= 168°）和稳定的自 清洁效果。
《生物质超疏水材料》课件
生物质超疏水材料在长期使用过程中，其疏水性能能够保持稳定，不易退化。
PART FOUR
生物质来源：选 择天然、可再生 的生物质材料， 如木材、秸秆、 玉米芯等
预处理方法：对 生物质材料进行 粉碎、研磨、筛 分等预处理，以 提高材料的表面 粗糙度和孔隙率
材料选择标准： 选择具有良好疏 水性能的生物质 材料，如具有高 亲水性和低疏水 性的纤维素、半 纤维素等
超疏水性：表面具有超疏水性，水滴不易附着 自清洁性：表面具有自清洁性，易于清洗 耐腐蚀性：表面具有耐腐蚀性，不易被腐蚀 耐高温性：表面具有耐高温性，不易在高温下变形
生物质超疏水材料具有优异的耐久性，能够长时间保持其疏水性能。 生物质超疏水材料在户外环境中能够抵抗紫外线、酸雨等恶劣环境的侵蚀。 生物质超疏水材料在室内环境中能够抵抗高温、高湿等恶劣环境的侵蚀。
研究进展：近年来， 超疏水材料的研究取 得了显著进展，如纳 米材料、生物质材料 等
防水防污：应用于建筑、汽车、 船舶等领域
自清洁：应用于太阳能电池板、 玻璃幕墙等领域
抗腐蚀：应用于化工、石油、 天然气等领域
生物医学：应用于医疗器械、 生物传感器等领域
物理沉积法：通过物理沉积 方法制备超疏水材料
化学合成法：通过化学反应 制备超疏水材料
添加标题
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在污水处理领域，生物质超疏水材 料可以用于油水分离，提高污水处 理效率。
在食品加工领域，生物质超疏水材 料可以用于油水分离，提高食品加 工的安全性和卫生性。
建筑领域：作为外墙涂料，提高建筑物的防水性能 农业领域：作为土壤改良剂，提高土壤保水性能 环保领域：作为污水处理剂，提高污水处理效率 医疗领域：作为生物医用材料，提高生物相容性
PART FOUR
生物质来源：选 择天然、可再生 的生物质材料， 如木材、秸秆、 玉米芯等
预处理方法：对 生物质材料进行 粉碎、研磨、筛 分等预处理，以 提高材料的表面 粗糙度和孔隙率
材料选择标准： 选择具有良好疏 水性能的生物质 材料，如具有高 亲水性和低疏水 性的纤维素、半 纤维素等
超疏水性：表面具有超疏水性，水滴不易附着 自清洁性：表面具有自清洁性，易于清洗 耐腐蚀性：表面具有耐腐蚀性，不易被腐蚀 耐高温性：表面具有耐高温性，不易在高温下变形
生物质超疏水材料具有优异的耐久性，能够长时间保持其疏水性能。 生物质超疏水材料在户外环境中能够抵抗紫外线、酸雨等恶劣环境的侵蚀。 生物质超疏水材料在室内环境中能够抵抗高温、高湿等恶劣环境的侵蚀。
研究进展：近年来， 超疏水材料的研究取 得了显著进展，如纳 米材料、生物质材料 等
防水防污：应用于建筑、汽车、 船舶等领域
自清洁：应用于太阳能电池板、 玻璃幕墙等领域
抗腐蚀：应用于化工、石油、 天然气等领域
生物医学：应用于医疗器械、 生物传感器等领域
物理沉积法：通过物理沉积 方法制备超疏水材料
化学合成法：通过化学反应 制备超疏水材料
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在污水处理领域，生物质超疏水材 料可以用于油水分离，提高污水处 理效率。
在食品加工领域，生物质超疏水材 料可以用于油水分离，提高食品加 工的安全性和卫生性。
建筑领域：作为外墙涂料，提高建筑物的防水性能 农业领域：作为土壤改良剂，提高土壤保水性能 环保领域：作为污水处理剂，提高污水处理效率 医疗领域：作为生物医用材料，提高生物相容性
超疏水表面的制备与性能研究
超疏水表面的制备与性能研究哎呀，说起超疏水表面，这可真是个有趣又神奇的话题！先给您讲讲我之前的一次经历吧。
有一回我去参加一个科技展览，看到了一个展示超疏水表面的小实验。
实验人员拿着一块看似普通的材料，往上面倒了一滩水，神奇的事情发生了！那水就像一颗颗晶莹的珠子，在材料表面滚来滚去，就是不渗进去。
我当时就被深深吸引住了，心里充满了好奇和疑问：这到底是怎么做到的呀？咱们先来说说超疏水表面是怎么制备的。
简单来说，就像是给材料穿上一层特殊的“防护服”。
这“防护服”的制作方法可有不少呢。
比如说，化学刻蚀法，就像是用化学试剂这个“小刻刀”在材料表面精心雕琢，刻出微小的粗糙结构，让水不容易附着。
还有物理气相沉积法，就像是给材料表面“喷”上一层特殊的物质，形成超疏水的效果。
就拿化学刻蚀法来说吧，咱们得先选好合适的化学试剂，这就像是选做菜的调料一样，可不能马虎。
然后控制好反应的时间和温度，时间短了、温度低了，效果出不来；时间长了、温度高了，又可能把材料给“毁”了。
这个过程中，实验人员得像个细心的大厨，时刻盯着锅里的菜，稍有不对就得赶紧调整。
再说说物理气相沉积法，这就有点像给墙壁喷漆。
要把特殊的物质均匀地“喷”在材料表面，形成一层薄薄的膜。
这“喷漆”的过程可不简单，喷枪的距离、喷射的速度，都得把握得恰到好处，不然这膜就不平整，超疏水的效果也就大打折扣了。
那超疏水表面都有啥性能呢？首先，它的防水性能那是杠杠的！不管是雨水还是其他液体，在它面前都很难渗透进去。
这就像是给物体穿上了一件“雨衣”，能让物体始终保持干爽。
比如说，咱们常见的雨伞，如果伞面是超疏水的，那雨水一落到上面就会迅速滚落，不会让伞面湿哒哒的。
而且超疏水表面还有自清洁的功能呢！灰尘、污垢这些脏东西很难附着在上面，就算沾上了，只要有一点水流过，就能把它们轻松带走。
想象一下，如果建筑物的外墙是超疏水的，那是不是就不用经常费力地去清洗了？还有哦，超疏水表面在抗腐蚀方面也表现出色。
超疏水纳米二氧化硅涂层PPT课件
疏水纳米二氧化硅
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低表面能材料制备 和 粗糙表面建立
以羟基硅油（H-PDMS）与正硅酸乙酯（TEOS）固化后得到的 聚硅氧烷 为低表面能材料， 利用疏水纳米SiO2粒子构造粗糙度，采用喷涂工艺，在玻璃表面制备聚硅氧烷/二氧化硅杂化超疏 水涂层。（二月桂酸二丁基锡:DBTDL）
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表面微观结构
不同 SiO2 与 TEOS-PDMS 质量比下杂化涂层的 SEM 照片和接触角。 （a）0；（b）0.1；（c）0.2；（d）0.3；（e）0.3；（f）0.6
1
特种涂层应用
2
工业添加剂应用
3
防火材料应用
4
胶结剂应用
5
建Байду номын сангаас防腐蚀应用
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1
超疏水（疏水）涂层应用
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荷叶自洁效应
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。在超高 分辨率显微镜下可以清晰地看到些 结构上长满绒毛。因此在凹陷部份 中充满着空气，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。空气层使得在尺寸上远大 于这种超微结构的灰尘、雨水等降 落在叶面上后，只能与叶面上凸起 结构的凸顶形成点接触。同时液体 在自身的表面张力作用下收缩形成 球状。在重力作用下，液球会发生 滚动并沿途吸附灰尘直至滚出叶面
纳米二氧化硅
常用尺寸范围15~100nm，具有许多独特的性质，如具有 对抗紫外线的光学性能，能提高其他材料抗老化、强度和 耐化学性能等。用途非常广泛。纳米级二氧化硅为无定形 白色粉末，无毒、无味、无污染，微结构为球形，呈絮状 和网状的准颗粒结构，分子式和结构式为SiO2，不溶于水。
.
目录
CONTENTS
这就是荷叶自洁效应。
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機 械 工 程 學 系
-11-
NCKU
(六) 研究方向與突破-(1/4)
創新的反自然蓮花結構
30°
θs 30° P
P
Da
Db
機 械 工 程 學 系
-12-
NCKU
接觸角 (Contact Angle)
液體和固體接觸的地方形成一個角度θ，靜態接觸角 定義為液滴在固體表面上濕潤所呈現的角度，並可 表示液滴於該表面的濕潤狀態。
機 械 工 程 學 系
-4-
NCKU
蓮花效應(Lotus Effect)-2/2
1.水珠在蓮葉表面上形成如球狀的高接觸角 (Contact Angle) 2.表面稍微傾斜，可讓水珠滾動並帶走表面髒污
機 械 工 程 學 系
-5-
NCKU
(二)蓮花結構(super-hydrophobic structures)
143.90 ±0.96 137.41 ±2.51
138.59 ±1.90
5.31 ±2.86 112.55 ±2.51
Lotus_cracked
x
24.86
PDMS
116.6
116.56 ±1.02
80.96 ±1.72
35.56 ±2.74
15 P 35D 5 105
165.4
164.71 ±2.17
High Speed Camera
Using software capture the image Sample
Light Source
機 械 工 程 學 系
NCKU
研究方向與突破-(2/4)
實驗結果(1/4)
尺寸符號 (deg) 前進角ACA(deg) 後退角RCA(deg) 遲滯值
Lotus
大於140
機 械 工 程 學 系
-9-
NCKU
(五) 發展現 況(產業界與學術界)-1/2
目前研究方法 基於仿生(biomimicry)的概念 • 化學方式: 改變表面性質 析出、塗佈奈米顆粒 • 物理方式: 改變表面粗糙度 微機電製程: 蝕刻(Etching)、 微影技術(Lithography) 、轉印
1 2 3 4
8
7
6 5
θa
θr
滑動角
m g s i n w ( c o s c o s) L V R A
θa α w mg
θr
機 械 工 程 學 系
NCKU
模具製造方法
1. 飛秒雷射加工 2. 機械加工(V-cut) 3. 微機電製程
機 械 工 程 學 系
NCKU
樣本製造
1. 表面具有5-15 mm大小的突柱狀(Pillar), 約60nm毫 毛之表皮細胞 (Epidermal Cell) 2. 表面上覆蓋一層約100 nm的蠟質結晶(Wax Crystal)
機 械 工 程 學 系
-6-
NCKU
具類蓮花結構之其他生物
• 約200種植物之樹葉: dahlia, rose, tulips, iris, asphodels, drosera, eucalyptus and gingko biloba. • 動物: water strider legs, butterfly wings, duck feathers, cicadas.
機 械 工 程 學 系
-10-
NCKU
發展現 況(產業界與學術界)-2/2
仿生研究方法的錯失 (1)無法量產：(量產微結構主要方法是微轉印) a. 無法量產納米毫毛 b. 轉印微米凸狀結構時不易(air) c. 在轉印製造過程 模具 air 結構易產生破壞。 (2) 結構強度弱，施工性不足 (3) 工程上使用條件與 大自然者不同 翻模出的突柱狀結構
機 械 工 程 學 系
-14-
NCKU
研究方向與突破-(4/4)
實驗結果(3/4)
γLV γSL γSV
d E ( ) d x d x c o s S LS V L V Y
SV SL cosY LV
θY
水的表面張力為72 mN/m，其值代表為γLV液氣間界面 之表面張力。
機 械 工 程 學 系
NCKU
前進角與後退角(Advancing and receding contact angle)：
NCKU
五屆海峽兩岸機械工程技術交流會
創新超疏水微結構的物性與加工方法 的研究
成功大學機械系李森墉教授 (創意工程;工程分析;固力與振動) Tel:886-6-2757575ext.62150
機 械 工 程 學 系otus Effect)-1/2
• • 蓮花：「出淤泥而不染，濯清漣而不妖」語出宋 朝周敦頤《愛蓮說》-- 蓮花具自潔能力 蓮花效應(Lotus Effect) 一詞是在1997年由德國植物 學家Barthlott與Neinhuis研究蓮葉表面現象時所創 造出的詞語。
155.32 ±1.40
9.39 ±3.57
15 P 60D 5 105
169.33
168.50 ±0.47
163.13 ±0.68
5.37 ±1.15
機 械 工 程 學 系
-13-
NCKU
研究方向與突破-(3/4)
實驗結果(2/4)
0 ms 9.8 ms
57.4 ms
69.6 ms
• 水滴反彈情形
實驗樣本製作成型：
PDMS 主劑:PDMS 硬化劑 =10:1 攪拌均勻 PDMS覆蓋於模具，加熱 硬化
硬化後剝離模具
機 械 工 程 學 系
NCKU
水滴撞擊材料表面之動態量測實驗 水滴約5 μL大小，使水滴自由落下至表面，此時立 刻開啟拍攝儀器，即可觀測水滴撞擊表面瞬間的變 化。
Drop Syringe holder
機 械 工 程 學 系
-7-
NCKU
(三)蓮花效應的特色
• 1. 防水 • 2. 具自潔能力 • 3. 固體與液體間為滑動邊界
機 械 工 程 學 系
-8-
NCKU
(四) 蓮花效應之產業應用
• • • • • • • 1. 太陽能熱水器、太陽能發電面板(-自潔) 2. 高樓大廈之表面/玻璃惟幕(-自潔) 3. 古蹟維護、家庭衛浴設備(-防水/自潔) 4. 高山防結冰結構: 纜車、輸配電塔、建築(-防水) 5. 機翼防結冰結構-飛航安全(-防水) 6.醫院/大廈之通風管路(-自潔) 7.低(水、空氣)阻力結構: 泳衣、防水衣、提高機翼 昇力、降低飛機失速(-滑動邊界) • 8.葉克膜 (ECMO)/洗腎機(-滑動邊界) • 9. 集水膜
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(六) 研究方向與突破-(1/4)
創新的反自然蓮花結構
30°
θs 30° P
P
Da
Db
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接觸角 (Contact Angle)
液體和固體接觸的地方形成一個角度θ，靜態接觸角 定義為液滴在固體表面上濕潤所呈現的角度，並可 表示液滴於該表面的濕潤狀態。
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蓮花效應(Lotus Effect)-2/2
1.水珠在蓮葉表面上形成如球狀的高接觸角 (Contact Angle) 2.表面稍微傾斜，可讓水珠滾動並帶走表面髒污
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(二)蓮花結構(super-hydrophobic structures)
143.90 ±0.96 137.41 ±2.51
138.59 ±1.90
5.31 ±2.86 112.55 ±2.51
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PDMS
116.6
116.56 ±1.02
80.96 ±1.72
35.56 ±2.74
15 P 35D 5 105
165.4
164.71 ±2.17
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研究方向與突破-(2/4)
實驗結果(1/4)
尺寸符號 (deg) 前進角ACA(deg) 後退角RCA(deg) 遲滯值
Lotus
大於140
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(五) 發展現 況(產業界與學術界)-1/2
目前研究方法 基於仿生(biomimicry)的概念 • 化學方式: 改變表面性質 析出、塗佈奈米顆粒 • 物理方式: 改變表面粗糙度 微機電製程: 蝕刻(Etching)、 微影技術(Lithography) 、轉印
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滑動角
m g s i n w ( c o s c o s) L V R A
θa α w mg
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模具製造方法
1. 飛秒雷射加工 2. 機械加工(V-cut) 3. 微機電製程
機 械 工 程 學 系
NCKU
樣本製造
1. 表面具有5-15 mm大小的突柱狀(Pillar), 約60nm毫 毛之表皮細胞 (Epidermal Cell) 2. 表面上覆蓋一層約100 nm的蠟質結晶(Wax Crystal)
機 械 工 程 學 系
-6-
NCKU
具類蓮花結構之其他生物
• 約200種植物之樹葉: dahlia, rose, tulips, iris, asphodels, drosera, eucalyptus and gingko biloba. • 動物: water strider legs, butterfly wings, duck feathers, cicadas.
機 械 工 程 學 系
-10-
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發展現 況(產業界與學術界)-2/2
仿生研究方法的錯失 (1)無法量產：(量產微結構主要方法是微轉印) a. 無法量產納米毫毛 b. 轉印微米凸狀結構時不易(air) c. 在轉印製造過程 模具 air 結構易產生破壞。 (2) 結構強度弱，施工性不足 (3) 工程上使用條件與 大自然者不同 翻模出的突柱狀結構
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研究方向與突破-(4/4)
實驗結果(3/4)
γLV γSL γSV
d E ( ) d x d x c o s S LS V L V Y
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水的表面張力為72 mN/m，其值代表為γLV液氣間界面 之表面張力。
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前進角與後退角(Advancing and receding contact angle)：
NCKU
五屆海峽兩岸機械工程技術交流會
創新超疏水微結構的物性與加工方法 的研究
成功大學機械系李森墉教授 (創意工程;工程分析;固力與振動) Tel:886-6-2757575ext.62150
機 械 工 程 學 系otus Effect)-1/2
• • 蓮花：「出淤泥而不染，濯清漣而不妖」語出宋 朝周敦頤《愛蓮說》-- 蓮花具自潔能力 蓮花效應(Lotus Effect) 一詞是在1997年由德國植物 學家Barthlott與Neinhuis研究蓮葉表面現象時所創 造出的詞語。
155.32 ±1.40
9.39 ±3.57
15 P 60D 5 105
169.33
168.50 ±0.47
163.13 ±0.68
5.37 ±1.15
機 械 工 程 學 系
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研究方向與突破-(3/4)
實驗結果(2/4)
0 ms 9.8 ms
57.4 ms
69.6 ms
• 水滴反彈情形
實驗樣本製作成型：
PDMS 主劑:PDMS 硬化劑 =10:1 攪拌均勻 PDMS覆蓋於模具，加熱 硬化
硬化後剝離模具
機 械 工 程 學 系
NCKU
水滴撞擊材料表面之動態量測實驗 水滴約5 μL大小，使水滴自由落下至表面，此時立 刻開啟拍攝儀器，即可觀測水滴撞擊表面瞬間的變 化。
Drop Syringe holder
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(三)蓮花效應的特色
• 1. 防水 • 2. 具自潔能力 • 3. 固體與液體間為滑動邊界
機 械 工 程 學 系
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(四) 蓮花效應之產業應用
• • • • • • • 1. 太陽能熱水器、太陽能發電面板(-自潔) 2. 高樓大廈之表面/玻璃惟幕(-自潔) 3. 古蹟維護、家庭衛浴設備(-防水/自潔) 4. 高山防結冰結構: 纜車、輸配電塔、建築(-防水) 5. 機翼防結冰結構-飛航安全(-防水) 6.醫院/大廈之通風管路(-自潔) 7.低(水、空氣)阻力結構: 泳衣、防水衣、提高機翼 昇力、降低飛機失速(-滑動邊界) • 8.葉克膜 (ECMO)/洗腎機(-滑動邊界) • 9. 集水膜