超疏水材料的原理
超疏水原理知识应用
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。
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角为滚动角( sliding angle , SA)α
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Wenzel模型 Cassie模型
增加固液接触面积 而实现表观接触角
的增大
水滴几乎被牢固地 黏附于固体表面上
减少固液接触面积 而增强表观接触角
宏观表现上水滴很 容易在这样的表面
上滚落
滚动角α 非常大
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滚动角 α非常小
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Wenzel模型和Cassie模型
• 定义接触线开始前移时的临界接触
角为前进角(θa ) ,
• 而接触线收缩时的临界接触角为后 退角(θr ) ,
• 两者的差值(θa -θr ) 称为接触角 滞后。
• 表观接触角则处于前进角和后退角 两个临界值范围之间
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接触角滞后
接触角滞后的存在使得水滴在倾斜 的表面上不一定向下移动。随着倾 斜角的增大,在重力作用下,水滴前部 分的接触角增加而后部分的接触角 减小。只有同时达到临界接触角时 水滴才会向下滑动,定义这时的倾斜
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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
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Yong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：
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。
荷叶疏水原理的应用实例
荷叶疏水原理的应用实例1. 荷叶疏水原理的介绍荷叶疏水原理是指荷叶表面的微观结构和化学成分使其具有疏水性，水滴在荷叶表面上呈现出珠状滚动的特性。
这一原理被广泛应用于多个领域，包括涂料、纺织品、建筑材料等。
2. 涂料领域中的应用在涂料领域中，荷叶疏水原理被应用于开发超疏水涂料。
这种涂料能够在表面形成一层微米级的荷叶结构，使得水滴无法附着在表面上，从而实现自清洁效果。
超疏水涂料广泛应用于室内外墙面、玻璃窗等，使得这些表面具有良好的抗污染能力，降低了清洁维护的成本。
•超疏水涂料的特点：–自清洁效果，水滴可以快速滚落，带走附着的污物；–耐候性强，长时间使用不易受到气候等因素的影响；–耐腐蚀性好，能够防止化学物质对涂层的侵蚀；–可自愈合，表面受损后可以在一定条件下自行修复。
3. 纺织品领域中的应用在纺织品领域中，荷叶疏水原理被应用于开发防水透气面料。
传统的防水材料往往无法同时实现防水和透气的效果，使得穿着者很容易出现不适感。
而采用荷叶疏水原理的防水透气面料则能够有效解决这一问题。
•防水透气面料的特点：–具有优异的防水性能，可以有效阻挡外部水分的渗透；–同时具备良好的透气性能，可以排除体内的湿气；–柔软舒适，不影响穿着者的活动；–耐久性好，经过多次清洗或长时间使用后仍能保持原有的性能。
4. 建筑材料领域中的应用在建筑材料领域中，荷叶疏水原理被应用于开发自洁型建筑材料。
这些材料在表面形成一层具有荷叶结构的纳米涂层，能够有效防止尘土、污染物等附着在表面上，从而保持建筑物外观的清洁。
•自洁型建筑材料的特点：–高效的自洁性能，附着在表面的尘土、污染物能够被清洗或雨水冲刷掉；–长效性好，一次处理能够保持较长时间的自洁效果；–高耐候性，能够经受多种环境条件下的考验；–能够减少清洁维护成本，节约人力物力。
5. 其他领域中的应用除了上述领域，荷叶疏水原理还被应用于汽车涂层、电子设备防水等方面。
很多厂商通过模仿荷叶表面的微观结构和化学成分，来研发具有疏水性能的产品，以提高产品的使用体验。
仿生超疏水材料的介绍精选文档
建立了Cassie模型。 前进角和后退角之间存在差异，通常情况下下前进角大于后退角，也就是θa＞θr。
如果f1为0，则f2为1，cosθ为-1，θ为180°。
超疏水材料的制备方法
在此模型中，假设f 是液滴与固体表面的接触面积占复合表面的分数；f 从固体表面接触角来看，决定固体表面亲疏水性的关键在于材料表面的化学组成，而表面的粗糙程度只是增强了这一效果。
到粗糙结构中，空气就会被滞留在表面的凹槽中，形成“空气垫”，液滴就停留在固体和
气体组成的符合表面上，这种假设更接近真实状态。当固体表面的粗糙不均匀表现为宏观
起伏到一定程度时，空气就容易被润湿的液体截留在固体表面的凹谷部分。因此，液滴与
HDTMS:十六符烷基合三乙表氧基面的接触就包括两个部分，一是液滴与粗糙表面的接触，二是液滴与空气的接触，
得水滴不能渗透，而自由滚动、雨点 图4-1 疏水材料的应用
01 简 介 1944年Cassie和Baxter在Wenzel模型的基础上，进一步对Young方程式进行了拓展和修改，提出了可以将粗糙的固体表面设想为固-气的复合表面，认为如果液滴在粗糙表面不能渗入到粗糙结构
中，空气就会被滞留在表面的凹槽中，形成“空气垫”，液滴就停留在固体和气体组成的符合表面上，这种假设更接近真实状态。
（体积或是质量）的液滴在平面上逐渐倾斜而产生滚动的倾斜角，滚动角越小，固体表现
出来的疏水性越好。
当固体表面倾斜到液滴即将滚动而未滚动时，此时
液滴的两端的接触角，大的成为前进接触角（Advancing
Contact Angle,θa),小的成为后退接触角（Receding Contact
Angle,θr),二者之差成为接触角滞后（Contact Angle
图解：纳米超疏水自清洁表面的应用
图解：纳米超疏水自清洁表面的应用自然界的超疏水现象“荷叶表面具有极强的疏水性，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”「见下图1」。
▲图1自然界的荷叶疏水表面现象科学家发现，荷叶表面具有微米级的乳突，乳突上乳突上有纳米级的蜡晶物质，这种微-纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角，导致水滴极易滚落「见下图2」。
▲图2荷叶表面微观结构水滴在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象，在自清洁过程中起到了一个至关重要的作用：水滴在表面滚动时会带走表面的污染物或灰尘，从而达到自清洁的效果「见下图3」。
▲图3超疏水表面自清洁原理示意图当然这些现在也存在于很多其他生物身上「见下图4」；科学家们研究这些生物及模仿这些生物现象，制备出了许多超疏水产品并得到了许多的应用（详见后文介绍）。
▲图4自然界中具有超疏水性的动植物及其扫描电子显微镜(SEM)图(a,b)荷叶;(c,d)水稻叶;(e,f)水黾腿[3];(g,h)孔雀羽毛[5,6];(i,j)壁虎脚掌[7];(k,l)蝉翼[9];(m,n)蝴蝶翅膀[10];(o,p)蚊子复眼[13]下文将为大家简单介绍超疏水自清洁的原理及一些超疏水表面的应用例子。
1、超疏水表面自清洁原理自清洁表面指表面的污染物或灰尘能在重力或雨水、风力等外力作用下自动脱落或被降解的一种表面，基于超疏水原理的自清洁表面主要是指接触角CA150°、滚动角SA＜10°的类荷叶表面「见下图5（d）」。
▲图5不同表面水滴接触界面状态2、常见超疏水表面制备现状人工制备超疏水表面虽然时间不长，但发展特别迅速，有效的制备方法也越来越多，主要有模板法、静电纺丝法、相分离与自组装法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、水热法、化学沉积与电沉积法、纳米二氧化硅法、腐蚀法等。
目前人工超疏水表面主要包括超疏水薄膜表面、超疏水涂层表面、超疏水金属表面及超疏水织物等方面。
疏水和超疏水表面以及液滴的特性研究
疏水和超疏水表面以及液滴的特性研究疏水和超疏水表面自从被发现以来，一直引起学术界的广泛关注和研究。
它们与液滴特性密切相关，影响着我们生活和工业生产中的许多方面。
本文将重点论述疏水和超疏水表面的定义、特性和应用，以及液滴在它们上面的行为。
一、疏水和超疏水表面的定义和特性疏水和超疏水表面是一种能够使水珠在表面滑动或者迅速滚落的表面。
疏水表面的接触角通常大于90°，也就是说水珠在平面上的接触面积很小，而对于超疏水表面，接触角通常大于150°，水珠在表面上的接触点几乎为零。
这种特殊的性质与表面的微观结构密切相关。
疏水表面通常具有结构规则的微米和纳米级别的凹凸结构，如微柱、微球、微刺等，这些结构能够使水珠无法在表面上形成平坦的接触，从而流体分子与表面之间的结合力无法克服流体流动的惯性而发生滚落。
相比之下，超疏水表面则是由纳米级别的凸起结构组成，这些结构将水珠高度限制在表面上，水珠几乎无法与表面产生联系，形成飞滑状态。
二、疏水和超疏水表面的应用1. 自清洁和自清洁材料疏水表面具有自清洁性，能够使尘埃、污垢和其他不洁之物很容易地滑落，而无需用清洁剂清洗。
因此，能够应用于自清洁玻璃、自清洁建筑等领域。
超疏水表面应用于材料科学中的自清洁材料、防水材料等方面。
2. 液滴控制技术利用疏水和超疏水表面与液滴之间的作用力的差异，可以实现液滴的精准控制。
例如，疏水表面可用于液滴传输、液滴分离、液滴操纵和液滴切割等技术。
3. 防水和防腐蚀疏水材料可以用于制作防水和防潮的包装材料，它完全能够防止水分的侵入和破坏。
超疏水材料具有抗腐蚀性和耐用性，并可以作为抗污染、防腐蚀等领域中的重要材料应用。
三、液滴在疏水和超疏水表面的行为液滴在疏水和超疏水表面上的行为可以描述为以下几种。
1. 附着行为：在一些不同结构的疏水和超疏水表面上，小液滴能够停留在表面上并完全不移动。
这种特点可以在制作液晶屏等控制液滴位置的技术中得到充分利用。
水滴膜的原理
水滴膜的原理水滴膜是一种特殊的涂层材料，利用其独特的表面形态和结构，实现了超疏水的性质。
其原理主要基于两个方面：微观水滴几何形态和纳米结构表面。
首先，水滴膜的超疏水性质与其微观水滴几何形态有关。
水滴在水滴膜表面上的形态呈半球形，而不是扁平的。
这是因为在水滴与膜表面接触时，表面张力作用使得水滴尽量缩成球形，减小与膜表面接触面积，从而降低液体与固体间的摩擦力。
与此同时，水滴表面张力也使得水滴在膜表面上形成一个微小的空气垫，将水滴与固体完全隔离，减少了液滴与膜表面的接触，进一步降低了表面摩擦力。
其次，水滴膜的超疏水性质与其纳米结构表面有关。
水滴膜的表面一般由微细纳米颗粒组成，这些颗粒之间形成了许多纳米级别的几何结构，形成了一个特殊的多孔结构。
这种多孔结构使得膜表面具有较大的比表面积，从而增加了膜表面与水滴接触的机会。
同时，纳米颗粒之间的多孔结构也使得水滴在膜表面上形成了错车型凹凸结构，使得水滴接触表面的实际接触面积大大减小，从而减少了液滴与固体表面的接触。
此外，水滴膜的超疏水性质也跟膜表面的疏水性有关。
膜表面经过特殊的处理，表面上有一层极薄的蜡样分子覆盖，使得表面具有很强的疏水性。
这种特殊的分子结构使得水滴在与膜表面接触时，表面张力使得水滴几乎完全滑落，即所谓的“水珠效应”。
同时，蜡样分子之间形成的分子链状结构也提供了一种相对平滑的表面，有助于减小液滴与固体表面之间的摩擦力。
综上所述，水滴膜的超疏水性质主要是通过微观水滴几何形态和纳米结构表面两个方面的相互作用来实现的。
水滴形态呈半球形，水滴与固体表面之间形成一个微小的空气垫，减小了液滴与固体间的接触面积，从而降低了表面摩擦力；纳米结构表面使得膜具有较大的比表面积，增加了水滴与表面的接触机会并降低实际接触面积，减少了液滴与固体表面的接触；蜡样分子覆盖使得膜表面具有很强的疏水性，水滴在膜表面上几乎完全滑落，减小了液滴与固体表面之间的摩擦力。
这些特性使得水滴能在水滴膜上迅速滚动，带走膜表面上的灰尘和污垢，实现了自我清洁和自我修复的功能。
超疏水材料的研究进展
超疏水材料的研究进展摘要：对植物叶表面的超疏水现象研究表明：植物叶表面的微观结构是引起超疏水的根本原因。
本文通过对荷叶表面的研究得到超疏水材料具有的特点：微纳米尺度复合的阶层结构。
通过相分离方法得到超疏水材料，最后对超疏水材料的研究趋势作了展望．关键词：超疏水材料微纳双重结构接触角滚动角Abstract：By studying the nature superhydrophobic bio-surfaces indicates that : the incooperation of micro-structure and nano-structure are both important for the superhydrophobic materials. Such structures are the key for the superhydrophobic material . The phase separation method is employed to prepare the superhydrophobic materials. The latest trends in the study of superhydrophobic materials are also discussed．Key words：Superhydrophobic materials；Micro-structure and nano-structure ; Contect angle; Roll angle引言近年来，植物叶表面的超疏水现象引起了人们的关注。
所谓植物超疏水能力，就是植物叶面具有显著的疏水，脱附，防粘，自清洁功能等。
固体表面浸润性研究的就是材料的疏水能力。
浸润性是指液体可以渐渐渗入或附着在固体表面的特性。
接触角和滚动角是评价固体表面浸润性的重要指标。
所谓超疏水表面一般是指与水的接触角大于150º。
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超疏水材料的原理
超疏水材料是一种具有特殊表面结构的材料，能够在接触水时使水滚动成水珠并快速从表面滑落，从而实现极强的防水性能。
其原理主要是基于两个因素：一是表面微结构；二是化学结构。
在表面微结构方面，超疏水材料通常采用了纳米或微米级别的微凸起或凹陷结构，例如在莲叶表面上就有许多微小的凸起，这些凸起可以显著减少表面与水的接触面积，从而减少了水分子与材料表面的相互作用力，使得水能够在表面上形成水珠。
同时，这些微凸起还能够形成一种微小的空气层，使水珠与材料表面保持一定距离，进一步减少了水与材料表面之间的接触。
在化学结构方面，超疏水材料通常使用低表面能的化学材料，如氟化物、硅烷等。
这些化学材料具有很低的表面能，水分子与其相互作用力极小，能够形成一种类似于涂有油漆的表面，使水分子无法粘附在表面上，从而实现超疏水性能。
总之，超疏水材料的原理是通过表面微结构和化学结构的优化来减少水分子与表面的相互作用力，使水能够形成水珠并快速从表面滑落，从而实现防水性能。
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