基于荷葉原理的超雙疏材料-PPT

1、中科院天津產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中科院天津產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 與育成中心合作項目與育成中心合作項目超雙疏材料在環(huán)保節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用及價值超雙疏材料在環(huán)保節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用及價值 2015年年9月月16日日基于荷葉原理的超雙疏材料工業(yè)化及應(yīng)用張旭張旭 教授教授河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院高分子科學(xué)與工程系河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院高分子科學(xué)與工程系天津華科力源科技發(fā)展有限公司天津華科力源科技發(fā)展有限公司E-mail：MobileVSLSVrrr/ )(cos只能應(yīng)用于組成均勻、光滑和各項同性的理想固體平面。Young氏方程 Wenzel模型cos/ )(cosrrrrrLVSLSVwr定義為粗糙度,是指固

2、體的真實面積與其表觀面積之比,w是粗糖表面的接觸角。當(dāng)90時，隨粗糙度r的增加而變大，疏水表面變得更疏水。Cassie模型引入f1和f2分別表示固/液界面和液/氣界面所占的分數(shù)f1+f2 =1，2=180。1111)(coscosfC2211coscoscosffC1. 固體表面的超疏水原理滾動角滾動角超雙疏條件：接觸角超雙疏條件：接觸角150150度，滾動角小于度，滾動角小于1010度度 2. 超雙疏材料的發(fā)展超雙疏材料的發(fā)展1997年德國波昂大學(xué)的植物學(xué)家W. Barthlott 針對這個特殊現(xiàn)象進行了一系列的實驗發(fā)現(xiàn)了疏水性與自我清潔的關(guān)系，因此創(chuàng)造了“蓮花效應(yīng)”，同時也擁有了這個商標(biāo)的

3、專利權(quán)，此后蓮花效應(yīng)就成了納米科技最具代表性的名詞（Planta 1997,202,1）2002年，中科院化學(xué)所江雷院士的研究組發(fā)現(xiàn)，除了在荷葉表面有一層蠟狀物之外，微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在著納米結(jié)構(gòu)（ Adv. Mater. 2002, 14, 1857）。其發(fā)表在2004年Nature上的報告同時揭開了水黽能再水上行走的秘密，這是因為水黽腿部具有多取向的微米剛毛，且這些剛毛上存在著復(fù)雜的納米凹槽3。這些生物現(xiàn)象的研究均表明，超疏水現(xiàn)象是由于固體表明的多級結(jié)構(gòu)與低表面能組合的結(jié)果，并以此提出“二元協(xié)同作用二元協(xié)同作用”。自然界中其他生物的超疏現(xiàn)象Soft Matter, 2012, 8, 11

4、217超疏超疏-自清潔的原理自清潔的原理2.1 2.1 超雙疏表面的構(gòu)筑方法超雙疏表面的構(gòu)筑方法（1 1）模板法）模板法2002 年，江雷研究組利用多孔氧化鋁為模板制備出了聚合物納米纖維陣列體系。他們首先選擇聚丙稀腈(PAN)為前驅(qū)體，然后利用模板擠壓法得到了陣列 PAN 納米纖維，制備出的樣品表面接觸角高達 173.8。Angew. Chem. 2002, 114, Nr. 7（2 2）刻蝕法）刻蝕法刻蝕包括激光刻蝕、機械刻蝕、化學(xué)刻蝕和等離子體刻蝕等等，是構(gòu)建粗糙表面的一種有效的技術(shù)方法。Zhao6等人通過光刻技術(shù)和表面氟化過程，在硅基表面構(gòu)建了高度有序的直徑為3m高度為7m的支柱，并且在

5、這些支柱側(cè)面存在連續(xù)的每個約300nm的凸起，該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的超疏油能力（十六烷=158o）同時該組討論了微觀結(jié)構(gòu)對超疏油能力的重要性。H. Zhao, et al. Langmuir, 2011, 27, 5927.（3 3）沉積法）沉積法Ruan10將全氟癸基硫醇粘附在三聚氰胺甲醛海綿上，體現(xiàn)出超疏水與超親油的完美結(jié)合，進行原油泄漏的處理，同時也利用了三聚氰胺海綿的阻燃性，這種簡單快速的方法使得超疏材料的生產(chǎn)成為可能。C. P. Ruan, et al. Angew. Chem., Int. Ed., 2014, 53, 5556.（4 4）溶膠）溶膠- -凝膠法凝膠法G. Hayase,

6、 et al. Angew. Chem., Int. Ed., 2013, 52, 10788.溶膠-凝膠法是先制備前體液，經(jīng)水解縮合后形成溶膠體系并緩慢聚合形成凝膠，最后干燥固化制備出納米材料的方法。Hayase11制備了具有超雙疏特性的大孔硅塊可以浮于水或有機溶劑之上，但在此過程中產(chǎn)生的凝膠微孔在干燥過程中會逸出氣體產(chǎn)生收縮，可能使結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷，不利于超疏性能的穩(wěn)定。（5 5）電紡絲法）電紡絲法電紡絲是借助電力產(chǎn)生微納米結(jié)構(gòu)的方法，用靜電紡絲方法Ganesh等12構(gòu)建了聚乙烯乙酸酯和二氧化鈦雜化納米纖維于玻璃基底上，疏水化處理經(jīng)500煅燒后的基板，對水和十六烷的接觸角為166和138，雖然

7、此表面并未達到超雙疏標(biāo)準(zhǔn)且電紡絲技術(shù)對周圍環(huán)境的要求較高，但其具備了優(yōu)異的自清潔性、力學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，有望進行實際應(yīng)用。V. A. Ganesh, et al. ACS Appl. Mater.Interfaces, 2013, 5, 1527.（6 6）自組裝法）自組裝法Yang等利用Pickering乳液的方法制備了草莓狀半球Janus顆粒，這些顆粒能夠在底物上自主裝形成超疏水層，并與底層以化學(xué)鍵的形式鍵合，因此能提高超疏水層的耐用性。NPG Asia Materials (2015) 7, e176（7 7）納米壓印技術(shù)）納米壓印技術(shù)納米壓印技術(shù)旨在制作納米或微米結(jié)構(gòu)圖形，結(jié)合超雙疏

8、表面對微納粗糙結(jié)構(gòu)的要求以及納米壓印能夠得到較刻蝕技術(shù)分辨率更高的微納米結(jié)構(gòu)。Hak Jong等14以反向納米壓印技術(shù)構(gòu)筑了表面倒懸結(jié)構(gòu)，經(jīng)疏水劑對表面進行處理后，具有柱形納米結(jié)構(gòu)的樣品表面具備了超雙疏性能，但納米壓印中的必須品壓印膠成本較高，可能會限制倒懸結(jié)構(gòu)的大規(guī)模生產(chǎn)。H. J. Choi, et al. J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 24354.2.2 2.2 超雙疏材料的應(yīng)用超雙疏材料的應(yīng)用自清潔油水分離減阻防生物粘附防腐蝕防冰覆High Efficiency 防腐蝕防腐蝕68分別涂覆環(huán)氧樹脂(a)和超疏水涂層(b)的金屬板在1000小時鹽霧試驗后的狀態(tài)

9、蒸發(fā)海水后鋁盤狀態(tài):(a)未涂覆；（b）涂覆有超疏水 （a）（b）（a）（b）60天后天后涂覆與未涂覆超疏水材料的鐵板防腐蝕效果對比圖3.本超雙疏材料產(chǎn)品本超雙疏材料產(chǎn)品當(dāng)前發(fā)展當(dāng)前發(fā)展阻礙阻礙工藝繁復(fù)，工藝繁復(fù)，難以擴大生產(chǎn)難以擴大生產(chǎn)成本昂貴成本昂貴附著力弱，耐附著力弱，耐用性差用性差附著力弱，附著力弱，耐用性差耐用性差多種涂覆方式紙紙木板木板鞋子鞋子織物織物金屬金屬塑料塑料各種顏色圖 3. 水（經(jīng)次甲基藍染色）和油（黃色）在經(jīng)涂覆超雙疏涂料載玻片上，其對水和油的接觸角分別為166.0o 和163.0o，滾動角分別為3o和5o。2mab圖4. 油水分離裝置水水油相（甲苯）油相（甲苯）超雙疏涂層織物織物透明超疏水透明超疏水金屬防腐