超疏水材料發(fā)展趨勢(shì)

1、超疏水材料發(fā)展趨勢(shì)超疏水材料發(fā)展趨勢(shì) 1實(shí)用精品課件PPT01引言引言03超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法02超疏水的基本原理超疏水的基本原理04超疏水材料的應(yīng)用超疏水材料的應(yīng)用05超疏水表面材料存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)超疏水表面材料存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)目錄目錄2實(shí)用精品課件PPT一、引言一、引言 3實(shí)用精品課件PPT引言引言 在大自然中有著許多值得人類探索和學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，人們把這類現(xiàn)象加以研究并運(yùn)用到改善生產(chǎn)和生活中，統(tǒng)稱為仿生學(xué)。 許多動(dòng)植物的外表所具有的自清潔功能的現(xiàn)象，具有這類現(xiàn)象的最典型的例子就是出淤泥而不染的荷葉表面。自然界中許多動(dòng)植物都具有這類功能，諸如鳥類的羽毛、水黽（min

2、）的腿部以及蝴蝶的翅膀等。在宏觀上這些組織或者器官均表現(xiàn)出水的極難浸潤(rùn)與掛壁。其原因在于它們的表面具有超疏水性的組成與結(jié)構(gòu)，因此這類材料被稱為超疏水性材料。4實(shí)用精品課件PPT 超疏水表面在日常生活用品、公共建筑、乃至國(guó)防航空等方面有著廣泛的應(yīng)用。另一方面，作為一種典型的界面現(xiàn)象，表面浸潤(rùn)性在界面化學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其它交叉學(xué)科的基礎(chǔ)研究中也有極為重要的研究?jī)r(jià)值。由于其重要性，各行業(yè)、各領(lǐng)域的專家及科研人員都開始加入到這方面的研究和探索中，目的是將仿生學(xué)所得到的成果應(yīng)用到改善我們的生產(chǎn)和生活中去，為大眾服務(wù)。5實(shí)用精品課件PPT 目前，人們通常用液體在材料表面的接觸角來(lái)表征材

3、料表面的潤(rùn)濕性。按照水滴在材料表面接觸角大小的不同，我們可以將材料進(jìn)行如下分類:當(dāng)接觸角小于90時(shí)，我們認(rèn)為這種材料是親水材料;如果水滴在材料表面的接觸角小于5，那么這種材料是超親水材料，例如經(jīng)濃硫酸和雙氧水(體積比為7: 3）處理過(guò)的硅片，水滴在它的上面會(huì)立刻鋪展開，展示出超親水的性質(zhì);當(dāng)材料表面接觸角大于90時(shí)，我們認(rèn)為這種材料是疏水材料;如果材料的表面接觸角大于150，滾動(dòng)接觸角小于10，那么我們認(rèn)為這種材料是超疏水材料，例如我們前面所提到的荷葉，水滴在其表面的接觸角大于150，不能穩(wěn)定停留，極易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性質(zhì)。我們研究的重點(diǎn)是超疏水表面。二、超疏水的基本原理二

4、、超疏水的基本原理6實(shí)用精品課件PPT 接觸角是表征固體表面疏水性優(yōu)劣的指標(biāo)之一，通常情況下，在不完全潤(rùn)濕性表面會(huì)形成一個(gè)冠形液滴，如圖所示。 當(dāng)氣、液、固三相接觸達(dá)到平衡時(shí)，在三相接觸的公共點(diǎn)處作液一氣界面的切線，我們把此切線與固一液界面的夾角稱為接觸角()。如果固體表面的接觸角 90，此表面描述為親水性表面，90150為疏水性表面，150175為超疏水表面，I75180為極端疏水表面，而當(dāng)=180的表面稱之為完全疏水表面。因此，用接觸角就能比較直觀、方便的來(lái)描述固體表面疏水性的優(yōu)劣。接觸角接觸角7實(shí)用精品課件PPT 上面所描述的接觸角所表征的是水滴在水平面上的表現(xiàn)，而現(xiàn)實(shí)中的平面往往不是水

5、平的，更多的是斜面。水滴在傾斜表面上可能滾動(dòng)或停滯，這種狀態(tài)可以用滾動(dòng)角進(jìn)行表征。所謂滾動(dòng)角是指液滴在固體表面開始滾動(dòng)時(shí)的臨界表面傾斜角度( 如圖所示) 。若液滴開始滾動(dòng)的傾斜角越小，表明此表面的超疏水性越好。 在傾斜表面，在水滴即將滾落下的臨界狀態(tài)下，水滴前部和尾部形成兩個(gè)不同的接觸角a和r。接觸角滯后值是這兩個(gè)角的差值，可以用于表征固體表面所呈現(xiàn)出的親 疏水狀態(tài)。液滴的滾動(dòng)特性隨著該接觸角的滯后值的上升而減弱。 綜上所述，固體與液體的相互浸潤(rùn)性的好壞及其所表現(xiàn)出的親 疏水性是由接觸角和滾動(dòng)角兩者共同表征。接觸角越大和滾動(dòng)角越小說(shuō)明材料表面的疏水性越強(qiáng)。滾動(dòng)角滾動(dòng)角8實(shí)用精品課件PPT01模

6、板法模板法03電化學(xué)方法電化學(xué)方法02化學(xué)刻蝕法化學(xué)刻蝕法04化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法05其他方法其他方法三、超疏水材料的制備方法三、超疏水材料的制備方法9實(shí)用精品課件PPT模板法模板法 這種方法是一種來(lái)自于化學(xué)仿生學(xué)中制備納米材料的方法，它的基本思想就是以某種粗糙的微納米結(jié)構(gòu)固體表面為基底，然后將易軟化材料在它的表面固化，之后就能得到和基底表面反向印相信息的粗糙納米結(jié)構(gòu);有的也以有機(jī)分子或它的自組裝體系作為模板劑，在某種溶劑中，經(jīng)過(guò)范德華力、離子鍵與氫鍵等協(xié)同作用下，模板劑就會(huì)對(duì)游離在溶劑中有機(jī)前軀體進(jìn)行一定的引導(dǎo)，這樣就能得到有序具有納米結(jié)構(gòu)的粒子或薄膜。江雷等用模板法，合成了聚乙烯醇

7、和聚丙烯腈的納米纖維序列膜，就是采用多孔氧化鋁作為模板，這種納米纖維序列膜接觸角值能高達(dá)173.8。 金美花等也是利用多孔氧化鋁為模板，有機(jī)高分子聚合物在多孔氧化鋁的模板中孔道的內(nèi)壁上附著，得到了聚苯乙烯的納米陣列薄膜，這種膜的靜態(tài)接觸角達(dá)到162 。10實(shí)用精品課件PPT 模板法不需要復(fù)雜加工設(shè)備，模板可以使用多次，但也有不足之處，如復(fù)雜形狀的表面用模板法制備較困難且效率低;用PDMS復(fù)型得到的軟模板力學(xué)性能不佳，在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)坍塌、撕裂或粘連等現(xiàn)象，復(fù)型難以達(dá)到精確控制，無(wú)法復(fù)制精度小于50nm的微細(xì)結(jié)構(gòu)。目前，用模板法制備超疏水表面以聚合物超疏水表面為主，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，

8、制備大面積超疏水表面的工作仍有一定難度。11實(shí)用精品課件PPT化學(xué)刻蝕法化學(xué)刻蝕法 化學(xué)刻蝕法是指用不同組成的刻蝕試劑對(duì)金屬或者合金表面進(jìn)行侵蝕，利用晶格缺陷或合金不同成分耐腐蝕性差異進(jìn)行選擇性刻蝕，通過(guò)控制刻蝕試劑濃度和刻蝕時(shí)間，得到合適的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，然后再用低表面能物質(zhì)修飾，制備成超疏水表面。李艷峰等用鹽酸刻蝕鋁合金，刻蝕后鋁合金表面呈現(xiàn)出由矩形的凸臺(tái)和凹坑構(gòu)成的復(fù)雜粗糙表面結(jié)構(gòu)，經(jīng)氟化試劑表面改性后，水滴接觸角在156左右，滾動(dòng)角為5左右。 Baitai Qian等利用becks位錯(cuò)刻蝕劑腐蝕Al, Zn, Cu多晶型金屬，再進(jìn)行表面氟化從而制得最高接觸角156，滾動(dòng)角和滯后角都很小的

9、超疏水表面。12實(shí)用精品課件PPT 化學(xué)刻蝕法制備超疏水表面有較好的選擇性，并且可以對(duì)復(fù)雜形狀的物體表面進(jìn)行刻蝕，效率高，成本低，但也有不足，如過(guò)度刻蝕對(duì)表面造成損傷，破壞基體材料的力學(xué)性能，刻蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢液，需要處理。13實(shí)用精品課件PPT電化學(xué)方法電化學(xué)方法 X.Zhang等采用電化學(xué)方法，聚合物電解質(zhì)對(duì)硅片表面進(jìn)行修飾以后，基底硅片表面上覆蓋了大量金的樹枝狀分形結(jié)構(gòu)，制得表面具有較大接觸角及較小滾動(dòng)角，這說(shuō)明了被金樹枝狀結(jié)構(gòu)覆蓋的表面具有非常好的超疏水性能。 江雷等采用電紡技術(shù)，聚苯乙烯作為反應(yīng)物，構(gòu)建了一種類似某些生物的微納米雙微觀的的復(fù)合結(jié)構(gòu)，生成了一層超疏水膜。SEM掃描照片中

10、觀察到生成的納米纖維將多孔微球“捆綁”住，這樣不僅提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且也模擬了荷葉的復(fù)合結(jié)構(gòu)。14實(shí)用精品課件PPT化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 該方法制備成本比較高，特殊材料的制備可以運(yùn)用氣相沉積法。Yoshimitsu Z等采用化學(xué)氣相沉積法，使表而粗糙度在9.460.8nn范圍內(nèi)，然后于其表面上用氟硅烷低表面能物質(zhì)進(jìn)行修飾，得到了透明的超疏水薄膜。該小組在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還觀察到超疏水薄膜的表面不僅具有相同的聚集方式而且化學(xué)成分也很類似，改變超疏水表面物理形貌微構(gòu)造時(shí)，該表面的靜態(tài)接觸角有著很大的差異。因此我們能從中得出結(jié)論，盡管粗糙度相似的固體表面，如果其表面形貌微構(gòu)造存在很大的差異時(shí)，

11、那么疏水性能也會(huì)因此差別較大。為此，研究人員對(duì)超疏水表面的物理形貌與微觀構(gòu)造進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，并試圖模擬生物表面的形貌與微觀構(gòu)造，以期能獲得超疏水性能優(yōu)異的固體表面。15實(shí)用精品課件PPT 江雷研究小組采用化學(xué)氣相沉積法構(gòu)建了表面具有納米亞微米的雙微觀結(jié)構(gòu)的Zn0薄膜，測(cè)得這種薄膜的靜態(tài)接觸角可高達(dá)164.3， Zn0薄膜具有如此優(yōu)良的疏水性能更進(jìn)一步印證了納米亞微米的雙微觀結(jié)構(gòu)是構(gòu)建超疏水表面的必要條件。該小組還通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)探究了Zn0薄膜超疏水性與親水性之間的可逆轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，他們還在石英基底上采用化學(xué)氣相沉積法構(gòu)建了陣列碳納米管(ACNT)膜測(cè)得該膜表面的靜態(tài)接觸角為158.5，如果對(duì)

12、該膜用氟硅烷進(jìn)行修飾后，碳納米管膜表現(xiàn)良好的超雙疏性(既疏水又疏油)，測(cè)得油和水的靜態(tài)接觸角分別為161和171。16實(shí)用精品課件PPT其他方法其他方法 除了上述方法之外，還有相分離法、溶膠凝膠法、層層組裝法、溶液浸泡法等。17實(shí)用精品課件PPT四、超疏水材料的應(yīng)用四、超疏水材料的應(yīng)用 在超疏水表面及材料具有廣闊應(yīng)用前景的驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外研究人員都做了大量的研究工作。下面將具體探討超疏水表面及材料是如何通過(guò)對(duì)表面修飾來(lái)提高傳統(tǒng)材料的性能，以及通過(guò)改良材料使其具備了一些嶄新的附加功能。我們相信超疏水材料特別是具有超雙疏功能的一些材料應(yīng)用前景定會(huì)愈加廣闊。 超疏水材料主要利用其自清潔、耐玷污等生物仿

13、生方面的特性進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用，在諸如軍工、農(nóng)業(yè)微流體毛細(xì)自灌溉、管道無(wú)損運(yùn)輸、房屋建筑以及各種露天環(huán)境下工作的設(shè)備的防水和防冰等方面有廣闊的前景。具體有以下幾方面。18實(shí)用精品課件PPT 建筑物表面的污染主要是由于空氣中微小顆粒的粘附和雨、雪等的覆蓋污染。超疏水材料因其獨(dú)特的疏水性，在建筑物內(nèi)外墻、玻璃及金屬框架等的防水、防雪和耐沾污等方面均有廣泛的應(yīng)用前景，可大大降低建筑物的清潔及維護(hù)成本，使得建筑物能長(zhǎng)久保持亮麗的外觀。目前，超疏水表面材料在建筑防污染方面的產(chǎn)品主要是涂層及防護(hù)液等，如中科賽納技術(shù)有限公司采用納米合成技術(shù)制備的納米超疏水自清潔玻璃涂層。該涂層一般為無(wú)色透明、無(wú)毒、無(wú)污染牢固度

14、高且具有自清潔、防結(jié)冰、抗氧化等功能。德國(guó)STO 公司同樣根據(jù)荷葉效應(yīng)原理開發(fā)了有機(jī)硅納米乳膠漆。江蘇大學(xué)吉海燕、陳剛等采用蝕刻法處理玻璃也制備了超疏水玻璃表面。在建筑防污耐水等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用在建筑防污耐水等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用19實(shí)用精品課件PPT 據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察不論是在水面的滑行、跳躍還是快速掠過(guò)水黽都既不會(huì)滑破水面更不會(huì)浸濕腿部。因而也就被美譽(yù)為“池塘中的溜冰者”根據(jù)這一現(xiàn)象科學(xué)家經(jīng)過(guò)論證得出水水黽特殊腿部微納米結(jié)構(gòu)和水面間形成的“空氣墊”阻礙了水黽的浸潤(rùn),讓它們實(shí)現(xiàn)了自然界版的“水上漂”。據(jù)了解利用新型超疏水材料制成的超級(jí)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體版的“空氣墊” 改變船與

15、水的接觸狀態(tài)防止船體表面被水浸濕進(jìn)而使其在水中運(yùn)行的阻力更小提高速度,節(jié)省了能源。研究人員表明交通工具的“水上飛”河以有效地提高交通工具的速度節(jié)省一定的能源肩可能也會(huì)順勢(shì)引起交通、能源領(lǐng)域的一次革新。在船舶提高浮力方面的應(yīng)用在船舶提高浮力方面的應(yīng)用20實(shí)用精品課件PPT 天然氣的管道運(yùn)輸因其傳輸距離遠(yuǎn), 線路可控設(shè)備投入較簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為陸上天然氣資源的主要輸送方式, 但由于天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳和水等腐蝕性物質(zhì)因而管道容易發(fā)生均勻腐蝕、坑蝕、電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕等現(xiàn)象。由于管道內(nèi)壁表面粗糙等原因天然氣的傳輸效率也較低。針對(duì)上述問(wèn)題許多學(xué)者在這方面做了很多工作，例如在鋁及其合金表面

16、上制備超疏水薄膜使其防腐能力明顯提高碳納米管粘接在基材鋁板表面以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)表面, 然后用聚四氟乙烯修飾該復(fù)合表面上以形成一層超疏水PTFE膜。 在國(guó)外許多鋁、鐵、碳鋼等金屬以及合金表面都會(huì)用超疏水膜來(lái)修飾,以提高其防腐蝕性。該方法可有效地運(yùn)用在如管道氣體、液體運(yùn)輸減阻等多方面對(duì)降低運(yùn)輸能耗提高輸送效率有很大幫助未來(lái)有較大的開發(fā)應(yīng)用空間。在管道運(yùn)輸方面的應(yīng)用在管道運(yùn)輸方面的應(yīng)用21實(shí)用精品課件PPT 采用靜電紡絲法或者在材料表面進(jìn)行處理可制備具有超疏水性的各種微納米結(jié)構(gòu)纖維。這類材料因具有超疏水性能，可用于制造防水薄膜、疏水濾膜以及防水透氣薄膜等，或者使織物因疏水性能而具有防水、防污染、防灰塵

17、等新功能。如美國(guó)NANOTEX公司采用納米技術(shù)開發(fā)的Nano-care 功能型面料;德國(guó)巴斯夫( BASF) 公司也將荷葉效應(yīng)應(yīng)用到紡織品上，開發(fā)出具有超疏水自清潔功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。在織物及過(guò)濾材料方面的應(yīng)用在織物及過(guò)濾材料方面的應(yīng)用22實(shí)用精品課件PPT在微流體控制方面的應(yīng)用在微流體控制方面的應(yīng)用 超疏水材料表面所具有的不浸潤(rùn)性及低表面粘滯力，使其在微流體控制應(yīng)用方面也有十分出色的表現(xiàn)。比如控制微液滴的運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)，并以此制造微液滴控制針頭，使得在實(shí)驗(yàn)或者生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)液體滴加計(jì)量能夠精確控制，實(shí)驗(yàn)試劑的添加將更得心應(yīng)手。如果將這類技術(shù)運(yùn)用到諸如靜電噴涂領(lǐng)域，比如用超疏水材料制造

18、噴漆噴膠等的噴頭，將會(huì)使噴涂的液滴更加均勻，霧化效果更好，可以運(yùn)用在對(duì)噴涂效果有特殊要求的場(chǎng)合。另外如果以這類材料制作毛細(xì)管類的材料，將會(huì)使液滴的虹吸量更少，可以制造體積更小精密度更高的液體傳輸設(shè)備。23實(shí)用精品課件PPT其他應(yīng)用其他應(yīng)用 除了上述應(yīng)用之外，超疏水材料還可以用于油水分離、電池和燃料電池的應(yīng)用、日用品包裝、生物醫(yī)學(xué)、電子設(shè)備的防潮涂層等領(lǐng)域。24實(shí)用精品課件PPT五、超疏水表面材料存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)五、超疏水表面材料存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì) 超疏水材料在實(shí)際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中都具有非常廣闊的應(yīng)用前景，相信在未來(lái)的幾十年里將會(huì)有巨大的潛在市場(chǎng)從而帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益?；谝陨显颍?/p>

19、超疏水表面材料的制備引起了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注，已成為近些年來(lái)材料學(xué)及表面科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。研究人員己經(jīng)研發(fā)出了多種超疏水表面材料的制備技術(shù)，同時(shí)也制備出了多種疏水性能優(yōu)良的超疏水表面。然而，這些表面能夠在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步的探究。25實(shí)用精品課件PPT存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題1、穩(wěn)定性 在制備超疏水表面過(guò)程中，往往要構(gòu)建微納米級(jí)的雙微觀結(jié)構(gòu)，正是由于微納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)再覆以低表面能物質(zhì)使得具有優(yōu)良的疏水性能。但是在實(shí)際生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中其表面難免會(huì)受到摩擦、撞擊和沖壓等作用，導(dǎo)致粗糙結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而使疏水性能受損。另外，制備的許多超疏水表面材料

20、與基底之間粘附力很差，容易脫落，因而失去疏水性喪失了它的應(yīng)用價(jià)值。26實(shí)用精品課件PPT 2、老化問(wèn)題 超疏水表面長(zhǎng)期暴露在實(shí)際的生活、生產(chǎn)環(huán)境(如高溫、日光及潮濕等環(huán)境)中，也往往要遭受油污、灰塵等污染，導(dǎo)致了表面不斷老化從而逐漸失去疏水性能。在清洗其表面時(shí)，又容易破壞其粗糙的雙微觀結(jié)構(gòu)。迄今，還沒(méi)有較科學(xué)、合理的方法解決超疏水表面在應(yīng)用過(guò)程中的老化問(wèn)題。27實(shí)用精品課件PPT 3、生產(chǎn)成本 目前的制備方法大多都采用特殊的材料，或者特殊昂貴的設(shè)備，而且構(gòu)建的操作過(guò)程繁瑣。所有的這些因素都增加了超疏水表面構(gòu)建的生產(chǎn)成本，也制約了大面積生產(chǎn)的可行性，很難適合工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此，尋求生產(chǎn)成本低廉、操作步驟簡(jiǎn)單、設(shè)備易得的制備方法，是研究人員在未來(lái)要解決的幾大首要問(wèn)題。28實(shí)用精品課件PPT發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)1、產(chǎn)業(yè)化 從制約大規(guī)模生產(chǎn)超疏水表面的因素出發(fā)，尋求成本低廉、操作步驟簡(jiǎn)單、設(shè)備易