仿荷葉超疏水高分子材料

1、仿荷葉超疏水高分子材料文獻(xiàn)綜述引言：荷花(nelumbonucifera)被認(rèn)為是純潔的象征，這一說法源于荷葉所具有的獨(dú)特的“荷葉效應(yīng)”：水滴能在荷葉表面自由地滾落,同時(shí)帶走其表面的灰塵和雜質(zhì)。荷葉的這種自清潔效應(yīng)與荷葉表面的超疏水性有著密切聯(lián)系；w.barthlott等通過對(duì)荷葉表面結(jié)構(gòu)的觀察和分析，揭示了荷葉表面的微米和納米級(jí)的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致超疏水性以及自清潔效應(yīng)的關(guān)鍵。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于仿生學(xué)有著重要的意義：通過模仿荷葉的表面結(jié)構(gòu)，人們可以制備出人造超疏水表面，并由此衍生出大量的實(shí)際應(yīng)用，如建筑表面的防水防塵，衣物的防污等。盡管人們很早就知道荷葉表面“自清潔效應(yīng)，但是一直無法了解荷葉表面的秘密。直

2、到20世紀(jì)90年代，德國(guó)的兩個(gè)科學(xué)家首先用掃描電子顯微鏡觀察了荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)，認(rèn)為“自清潔”效應(yīng)是由荷葉表面上的微米級(jí)乳突以及表面蠟狀物共同引起的。其后江雷等人對(duì)荷葉表面微米結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)荷葉表面乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，這種微米與納米結(jié)構(gòu)同時(shí)存在的二元結(jié)構(gòu)才是引起荷葉表面“自清潔”的根本原因。為什么這樣的“粗糙”表面能產(chǎn)生超疏水性呢？對(duì)于一個(gè)疏水性的固體表面來說，當(dāng)表面有微小突起的時(shí)候，有一些空氣會(huì)被“關(guān)到”水與固體表面之間，導(dǎo)致水珠大部分與空氣接觸，與固體直接接觸面積反而大大減小。由于水的表面張力作用使水滴在這種粗糙表面的形狀接近于球形，其接觸角可達(dá)150度以上，并且水珠可以很自由

3、地在表面滾動(dòng)。即使表面上有了一些臟的東西，也會(huì)被滾動(dòng)的水珠帶走，這樣表面就具有了“自清潔”的能力。這種接觸角大于150度的表面就被稱為“超疏水表面”，而一般疏水表面的接觸角僅大于90度。自然界里具有“自清潔”能力的植物除了荷葉之外，還有水稻、芋頭之類的植物以及鳥類的羽毛。這種“自清潔”效應(yīng)除了保持表面的清潔外，對(duì)于防止病原體的入侵還有特別的意義。因?yàn)榧词褂胁≡w到了葉面上一沾水也就被沖走了。所以象荷花這樣的植物即使生長(zhǎng)在很“臟”的環(huán)境中也不容易生病，很重要的原因就是這種自清潔能力。利用納米/微米復(fù)模成型的方法,制備了荷葉表面微乳突清潔功能引起人們極大的研究興趣,這種自清潔功能源自于表面形貌與低

4、表面能物質(zhì)的共同作用。目前,已用不少方法來制備仿荷葉表面狀疏水結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇(PVA)和聚苯乙烯(PS)陰模模具，并利用陰模復(fù)模成型在聚二甲基硅烷(PDMS)表面制備了類荷葉的表面結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡(SEM)的觀察表明PDMS材料表面上制得的類荷葉結(jié)構(gòu)與荷葉表面的微乳突結(jié)構(gòu)有較好的一致性，而PVA陰模在保持微觀結(jié)構(gòu)上更有優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)水滴在PDMS材料表面接觸角的測(cè)量，證明了在制備有類荷葉表面結(jié)構(gòu)的PDMS材料表面上，水滴的接觸角可以得到顯著提高。浸潤(rùn)性是固體表面的重要特征之一，它是由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定的。超疏水性表面是指水在固體表面的接觸角大于150°的表面。構(gòu)建

5、超疏水性納米結(jié)構(gòu)表面在表面化學(xué)和材料化學(xué)等基礎(chǔ)研究及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都有著極其重要的研究意義及非常廣闊的應(yīng)用前景。本論文中，采用簡(jiǎn)單方法成功制備了類“壁虎的腳”的對(duì)水滴具有高粘滯力的超疏水性納米界面材料以及類“菜花”狀的對(duì)水滴具有低粘滯力的超疏水性納米界面材料。研究表明，納米結(jié)構(gòu)及微米納米復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)超疏水性及超疏水性表面與水滴之間的粘滯性有著重要的影響。1采用模板覆蓋法，首次制備了對(duì)水滴具有高粘滯力的超疏水性陣列聚苯乙烯（PS）納米管膜。研究表明，該P(yáng)S納米管膜表面具有超疏水性，與水的接觸角可高達(dá)162.0°，且水滴在陣列PS納米管膜表面不滾動(dòng)，對(duì)水滴具有高的粘滯力。測(cè)量了水滴與固體表面

6、之間的粘滯力，與其他超疏水表面相比，陣列PS納米管對(duì)水滴具有很高的粘滯力。這種類似于“壁虎的腳”性能的具有高粘滯力的超疏水性納米界面材料，將在無損失液體的傳輸IWP=122中文摘要和微量液體的測(cè)試方面具有廣泛的應(yīng)用前景。2. 利用模板覆蓋方法制備了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）納米棒膜，該膜表面在沒有任何低表面能物質(zhì)修飾時(shí)即具有超疏水性，與水的接觸角高達(dá)152.0°。研究表明，PMMA納米棒膜表面的空氣對(duì)超疏水性引起了重要的作用。3.利用激光刻蝕的方法制備了類“菜花”狀的具有低粘滯力的超疏水性微米-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜。該復(fù)合膜表面具有超疏水性，與水的接觸角高達(dá)16

7、5.2°,且滾動(dòng)角（5°）非常低。對(duì)粗糙PDMS膜表面與水滴之間的粘滯力的測(cè)量研究表明，該膜與水之間的粘滯力非常小，和平滑PDMS膜與水滴之間的粘滯力相比，其粘滯力大大減少。超疏水性PDMS表面對(duì)水滴具有低粘滯力，是由于材料本身的低表面能性能與其表面的微米-納米分級(jí)結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。4從超疏水性的印章角度出發(fā)，首次利用軟模板印刷的方法，以微米-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的PDMS為軟模板，在聚苯乙烯表面上成功制備了同樣具有微米納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水性表面，與水的接觸角高達(dá)161.2°。軟模板印章的方法可以用在其他熱塑性聚合物如聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等上，是一種簡(jiǎn)單有

8、效地制備超疏水性材料的方法。超疏水表面在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中都有著極其廣闊的應(yīng)用前景。荷葉的“自清潔”功能啟發(fā)了人們將超疏水表面應(yīng)用到日常的自清潔技術(shù)中。例如：它可以用來防雪、防污染、抗氧化以及防止電流傳導(dǎo)等。如果建筑物的外墻、露天的廣告牌等表面像荷葉一樣，就可以保持清潔。船只等在水面航行時(shí)需要消耗很多的能源來克服行進(jìn)中的摩擦阻力，對(duì)于水下航行體如潛艇等甚至可達(dá)到80%；而對(duì)于運(yùn)輸管道如輸油（水）管道，其能量幾乎全部被用來克服流固表面的摩擦阻力。隨著微機(jī)電的發(fā)展,機(jī)構(gòu)尺度越來越小，固液界面中的摩擦力相對(duì)越來越大,如微通道流等摩擦阻力問題已成為相關(guān)器件發(fā)展的一個(gè)重要的制約因素。因此盡量減

9、少表面摩擦阻力是提高航速和節(jié)約能源的主要途徑。近年來利用超疏水表面減阻的研究越來越受研究者的重視。如利用超疏水硅表面進(jìn)行減阻研究中發(fā)現(xiàn)，減阻可達(dá)30%-40%。利用改性硅橡膠和聚氨酯樹脂為主，添加低表面能無機(jī)填料或有機(jī)填料，在制成的雙組分涂料的疏水表面減阻的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)較低的流速時(shí)，其最大表面減阻可達(dá)30%，但隨著流速的增加這種減阻效果下降，原因歸于表面粗糙度的影響。目前，有關(guān)這方面的研究有待進(jìn)一步深入。有關(guān)超疏水性表面的研究近幾年有較多的報(bào)道，成為各學(xué)科發(fā)展的熱點(diǎn)之一。但目前有關(guān)超疏水表面的制備方法的種類并不多,且過于依賴精密的儀器設(shè)備和復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，可供使用的基底還有限不能夠規(guī)?；?/p>

10、生產(chǎn)。另外，對(duì)仿生超疏水性表面的結(jié)構(gòu)與疏水性之間的關(guān)系以及動(dòng)力學(xué)還沒有系統(tǒng)研究。因此，今后的研究將在以下幾個(gè)方面進(jìn)行：實(shí)現(xiàn)在廣泛的工程材料表面的超疏水性；發(fā)展制備超疏水性表面的有效方法；擴(kuò)展超疏水性表面的應(yīng)用領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：1.李艷峰.于志家.于躍飛化學(xué)刻蝕法制備黃銅基超疏水表面期刊論文-化工學(xué)報(bào)2007(12)2.劉斌.傅葉勍.阮維青利用軟模板和紫外光固化技術(shù)制備超疏水表面期刊論文-高分子學(xué)報(bào)2008(02)3. 金美花.廖明義.翟錦軟模板印刷法制備超疏水性聚苯乙烯膜期刊論文-化學(xué)學(xué)報(bào)2008(01)4. 謝永元.周勇亮.俞小春夏海平以砂紙為模板制作聚合物超疏水表面期刊論文-高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)

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