超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用

1、超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用2014/3/281超疏水的概念超疏水的概念表面的疏水性能通常用表面與水靜態(tài)的接觸表面的疏水性能通常用表面與水靜態(tài)的接觸角和動(dòng)態(tài)的滾動(dòng)角描述。角和動(dòng)態(tài)的滾動(dòng)角描述。超疏水超疏水表面是指與水的接觸角大于表面是指與水的接觸角大于 150 150 ，而滾動(dòng)角小于而滾動(dòng)角小于 1010的表面。的表面。接觸角通常是用接觸角測(cè)定儀來(lái)獲得。接觸角通常是用接觸角測(cè)定儀來(lái)獲得。 靜態(tài)接觸角：靜態(tài)接觸角： 越越大大越好越好 滾動(dòng)角：滾動(dòng)角： 越越小小越好越好疏水性的表征量疏水性的表征量2014/3/282不同表面水滴接觸界面狀態(tài)2014/3/283自然界的啟示自然界的啟示 自然界不會(huì)活性聚合，自然

2、界不會(huì)活性聚合，也不會(huì)乳液聚合，卻可以也不會(huì)乳液聚合，卻可以有著比任何人工合成材料有著比任何人工合成材料更好的疏水性能更好的疏水性能所謂所謂“超疏水超疏水”的生命現(xiàn)象的生命現(xiàn)象。2014/3/284蟬翼表面的超疏水結(jié)構(gòu)蟬翼表面由規(guī)則排列的納米柱狀結(jié)構(gòu)組成納米柱的直徑大約在80 nm，納米柱的間距大約在180 nm規(guī)則排列納米突起所構(gòu)建的粗糙度使其表面穩(wěn)定吸附了一層空氣膜，誘導(dǎo)了其超疏水的性質(zhì)，從而確保了自清潔功能。2014/3/285 壁虎的層次結(jié)構(gòu)的腳趾頭。腳趾是由成千上萬(wàn)的絲綢和每一個(gè)絲綢包含的幾百個(gè)細(xì)微的鏟子結(jié)構(gòu)。(a,b)掃描電子顯微圖和(c)特征的鏟子。壁虎腳趾的微觀結(jié)構(gòu)壁虎腳趾的微

3、觀結(jié)構(gòu)2014/3/2862014/3/28超疏水的荷葉和表面結(jié)構(gòu)（a)球形的水滴滴在荷葉表面（b)荷葉表面大面積的微結(jié)構(gòu)（c)荷葉表面單個(gè)乳突（d）荷葉表面的納米結(jié)構(gòu)出淤泥而不染，出淤泥而不染，濯清漣而不妖。濯清漣而不妖。-宋宋.周敦頤周敦頤愛(ài)蓮說(shuō)愛(ài)蓮說(shuō)超疏水的荷葉表面超疏水的荷葉表面7荷葉表面雙微觀結(jié)構(gòu)模型荷葉表面雙微觀結(jié)構(gòu)模型2014/3/288 固體表面的潤(rùn)濕性能由化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同決定： 化學(xué)組成結(jié)構(gòu)是內(nèi)因：化學(xué)組成結(jié)構(gòu)是內(nèi)因： 低表面自由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效低表面自由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效果。研究表明，光滑固體表面接觸角最大為果。研究表明，光滑固體表面

4、接觸角最大為1201200 0左左右。右。 表面幾何結(jié)構(gòu)有重要影響：表面幾何結(jié)構(gòu)有重要影響： 具有微細(xì)粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏（親）具有微細(xì)粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏（親）水表面的疏（親）水性能水表面的疏（親）水性能超疏水表面的形成原因超疏水表面的形成原因2014/3/289超疏水表面的制備超疏水表面的制備一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)。一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面。一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面。2014/3/2810主要方法主要方法模板法模板法等離子體等離子體法法化學(xué)氣相化學(xué)氣相沉積法沉積法溶膠溶膠-凝膠凝膠法法化學(xué)氣相沉化學(xué)氣相沉積法積法靜電紡絲

5、靜電紡絲法法.超疏水表面的制備超疏水表面的制備一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)。一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面。一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面。2014/3/2811 1. 1.復(fù)制模塑法是指先用一種預(yù)聚物復(fù)制模塑法是指先用一種預(yù)聚物A (A (一般為一般為 PDMS ,PDMS ,有時(shí)也可采用溶液有時(shí)也可采用溶液) ) 復(fù)制出荷葉等超疏水復(fù)制出荷葉等超疏水植物葉片表面微結(jié)構(gòu)；植物葉片表面微結(jié)構(gòu)； 2. 2. 固化固化A A 并從荷葉表面剝離并從荷葉表面剝離, ,得到負(fù)型結(jié)構(gòu)得到負(fù)型結(jié)構(gòu)的軟模板的軟模板B ,B ,然后以此軟模板為圖形轉(zhuǎn)移元件然后以此軟模板為圖形轉(zhuǎn)移

6、元件, ,將將其表面的負(fù)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其它材料其表面的負(fù)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其它材料C C 表面表面, ,經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)2 2 次復(fù)制最終得到與荷葉表面特征相似的仿荷葉微次復(fù)制最終得到與荷葉表面特征相似的仿荷葉微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。1.模 板 法模板法也稱復(fù)制模塑法模板法也稱復(fù)制模塑法, ,自自2020世紀(jì)世紀(jì)90 90 年代提出以來(lái)已年代提出以來(lái)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21 21 世紀(jì)世紀(jì), ,復(fù)制模塑技術(shù)也深入復(fù)制模塑技術(shù)也深入到超疏水表面的制備研究中到超疏水表面的制備研究中, ,尤其是在仿生超疏水表面尤其是在仿生超疏水表面的復(fù)制中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。的復(fù)制中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。步驟：步驟：2014/

7、3/2812復(fù)制模塑技術(shù)制備仿生超疏水表面的操作示意圖模模 板板 法法2014/3/28132.等離子體法等離子體法 等離子體等離子體：是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。態(tài)。 等離子體法原理等離子體法原理：利用等離子體對(duì)表面進(jìn)行處理，獲得粗：利用等離子體對(duì)表面進(jìn)行處理，獲得粗糙結(jié)構(gòu)糙結(jié)構(gòu) ，從而得到超疏水性的材料表面。，從而得到超疏水性的材料表面。

8、 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：快速、選擇性高、表面均勻；：快速、選擇性高、表面均勻； 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：設(shè)備昂貴：設(shè)備昂貴 ，且不利于大面積制備。，且不利于大面積制備。2014/3/2814 McCarthyMcCarthy等在聚四氟乙烯等在聚四氟乙烯 ( PTFE)( PTFE)存在下存在下 , , 用射頻等離子體刻蝕聚丙烯用射頻等離子體刻蝕聚丙烯 ( PP)( PP)制備出粗糙表面。表面與水的前進(jìn)角制備出粗糙表面。表面與水的前進(jìn)角 / /后退角可達(dá)后退角可達(dá) A A / /R R = = 172172/169/169。利用射頻等離子體刻蝕法在不同刻蝕時(shí)間得到的聚丙烯掃描電子形貌圖利用射頻等離子體刻蝕法在不同刻蝕時(shí)間

9、得到的聚丙烯掃描電子形貌圖: ( a) 0 min, ( b) 30 min, ( c) 60 min, ( d) 90 min,( e) 120 min, ( f) 180 min2014/3/2815 Chen等利用納米球刻蝕的方法首先得到了排列整齊的單層聚苯乙烯 ( PS)納米珠陣列 ,再用氧等離子體處理以進(jìn)一步減小納米珠的尺寸從而得到粗糙表面 (圖 18)。在其表面覆蓋 20 nm厚的金膜并用十八硫醇(ODT)進(jìn)行修飾可以增強(qiáng)其疏水性。通過(guò)調(diào)整 PS納米珠的直徑 (440190 nm)可以控制表面接觸角的大小 (132 168 )。氧等離子體處理后的超疏水 PS納米珠陣列表面2014/

10、3/28163.3.化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 原理原理：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。沉積到晶片表面上。化學(xué)氣相沉積法是傳統(tǒng)的制備薄膜的化學(xué)氣相沉積法是傳統(tǒng)的制備薄膜的技術(shù)。技術(shù)。 特點(diǎn)特點(diǎn)：該方法成本較高：該方法成本較高 ，一般用于一些特殊材料的，一般用于一些特殊材料的制備。制備。4.4.靜電紡絲法靜電紡絲法靜電紡絲： 靜電紡絲就是高分子流體靜電霧化的特殊形式，此時(shí)霧化分裂出的物質(zhì)不是微小液滴，而是聚合物微小射流

11、，可以運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的距離，最終固化成纖維。特點(diǎn)：電紡絲具有設(shè)備簡(jiǎn)單 , 可大面積快速制備，工藝可控等特點(diǎn) ,適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但它的一個(gè)較大缺點(diǎn)就是表面微結(jié)構(gòu)的可控性與均勻性比較差。2014/3/2817 利用 CVD法得到的陣列碳納米管膜的 SEM照片: ( a,b).蜂房結(jié)構(gòu) (不同放大倍數(shù) ) , (C).島狀 , (d).柱狀利用化學(xué)氣相沉積法在石英基底上制備了各種圖案結(jié)構(gòu)的陣列碳納米管膜, 結(jié)果表明 , 水在這些膜表面的接觸角都大于 160 , 滾動(dòng)角都小于 5 , 納米結(jié)構(gòu)與微米結(jié)構(gòu)在表面的階層排列被認(rèn)為是產(chǎn)生這種高接觸角、低滾動(dòng)角的原因。2014/3/2818 江雷等以聚苯乙烯 (

12、 PS)為原料 ,制備了一種具有新穎的多孔微球與納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水薄膜，其中多孔微球?qū)Ρ∧さ某杷云鹬饕饔?, 而納米纖維則交織成一個(gè)三維的網(wǎng)絡(luò)骨架 ,“ 捆綁 ” 住多孔微球 , 增強(qiáng)了薄膜的穩(wěn)定性。利用電紡技術(shù)得到的復(fù)合結(jié)構(gòu) PS薄膜: ( ac) SEM圖 , ( d) 水滴的形貌圖 (接觸角為 160.4 )2014/3/2819 新型超疏水材料的應(yīng)用將十分廣泛： 沙漠集水；沙漠集水； 遠(yuǎn)洋輪船船底涂料，可以達(dá)到防污、防腐的效果；遠(yuǎn)洋輪船船底涂料，可以達(dá)到防污、防腐的效果； 室外天線上，建筑玻璃，汽車、飛機(jī)擋風(fēng)玻璃上，可以室外天線上，建筑玻璃，汽車、飛機(jī)擋風(fēng)玻璃上，可以防積雪，自清潔；防積雪，自清潔； 冰箱、冷柜等制冷設(shè)備的內(nèi)膽表面上，冰箱、冷柜等制冷設(shè)備的內(nèi)膽表面上，凝聚水、結(jié)霜凝聚水、結(jié)霜 、結(jié)冰現(xiàn)象結(jié)冰現(xiàn)象； 天然氣、石油管道內(nèi)壁表面超疏水分子膜；天然氣、石油管道內(nèi)壁表面超疏水分子膜； 用于微量注射器針尖，可以完全消除昂貴的藥品在針尖用于微量注射器針尖，可以完全消除昂貴的藥品在針尖上的黏附及由此帶