超疏水材料教案資料

1、超疏水材料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)的接觸角和動(dòng)態(tài)的滾動(dòng)角描述。超疏水表面是指與水的接觸角大于 150 ，而滾動(dòng)角小于 10的表面。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滾動(dòng)角（滾動(dòng)角（SA）：滾動(dòng)角是指液滴在：滾動(dòng)角是指液滴在傾斜表面上剛好發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，傾斜表傾斜表面上剛好發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，傾斜表面與水平面所形成的臨界角度。等于面與水平面所形成的臨界角度。等于前進(jìn)角和后退角之差。前進(jìn)角和后退角之差。前進(jìn)角前進(jìn)角：液固界面取代氣固界面后形：液固界面取代氣固界面后形成的接

2、觸角叫做前進(jìn)角；成的接觸角叫做前進(jìn)角；后退角后退角：氣固界面取代液固界面后形：氣固界面取代液固界面后形成的接觸角叫做后退角。成的接觸角叫做后退角。 接觸角和滾動(dòng)角接觸角和滾動(dòng)角接觸角的滯后性接觸角的滯后性真實(shí)固體表面在一定程度上或者粗糙不平或者化學(xué)組成不均一,這就使得實(shí)際物體表面上的接觸角并非如Young 方程所預(yù)示的取值唯一。而是在相對(duì)穩(wěn)定的兩個(gè)角度之間變化,這種現(xiàn)象被稱為接觸角滯后現(xiàn)象,上限為前進(jìn)接觸角a ,下限為后退接觸角r ,二者差 =a r 定義為接觸角滯后性。 不同表面水滴接觸界面狀態(tài)自然界的啟示自然界的啟示 自然界不會(huì)活性聚合，自然界不會(huì)活性聚合，也不會(huì)乳液聚合，卻可以也不會(huì)乳液

3、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。蟬翼表面的超疏水結(jié)構(gòu)蟬翼表面的超疏水結(jié)構(gòu)v 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 nm80 nm，納米柱的間距大約在，納米柱的間距大約在180 nm180 nm規(guī)則排列納米突起所構(gòu)建的規(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)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。，從而確保了自清潔功能。 壁虎的層次結(jié)構(gòu)的腳趾頭。

4、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)壁虎腳趾的微觀結(jié)構(gòu) 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v 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，水滴在荷葉表面的接觸角和滾動(dòng)角分別為通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，水滴在荷葉表面的接觸角和滾動(dòng)角分別為161.02.7和和2。這使得荷葉具有了很好的。這使得荷葉具有了很好的自清潔能力自清潔能力。v 從上面模型可

5、看出：由于荷葉雙微觀結(jié)構(gòu)的存在，大量空氣儲(chǔ)存在從上面模型可看出：由于荷葉雙微觀結(jié)構(gòu)的存在，大量空氣儲(chǔ)存在這些微小的凹凸之間，使得水珠只與荷葉表面乳突上面的蠟質(zhì)晶體這些微小的凹凸之間，使得水珠只與荷葉表面乳突上面的蠟質(zhì)晶體毛茸相接觸，顯著減小了水珠與固體表面的接觸面積，擴(kuò)大了水珠毛茸相接觸，顯著減小了水珠與固體表面的接觸面積，擴(kuò)大了水珠與空氣的界面，因此液滴不會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展，而保持其球體狀，這就是與空氣的界面，因此液滴不會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展，而保持其球體狀，這就是荷葉表面具有超疏水性的原因所在。荷葉表面具有超疏水性的原因所在。荷葉表面雙微觀結(jié)構(gòu)模型荷葉表面雙微觀結(jié)構(gòu)模型超疏水基本理論超疏水基本理論材料的浸潤(rùn)性

6、是由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定的,通常以接觸角表征液體對(duì)固體的浸潤(rùn)程度。Cassie 方程Wenzel 方程Young方程v 對(duì)于對(duì)于光滑、平整、均勻光滑、平整、均勻的固體表面的固體表面, Thomas Young, Thomas Young在在1805 1805 年提出了接觸角與表面能之間的關(guān)系年提出了接觸角與表面能之間的關(guān)系, , 即著名的即著名的YoungYoung方程方程: : coscos= =( (SVSV SLSL)/)/ LVLV 式中: LV、 SV 、SL分別表示液-氣、固-氣、固-液界面的表面張力。由于Young方程僅適用于理想中的光滑固體表面, Wenzel和

7、Cassie對(duì)粗糙表面的浸潤(rùn)性進(jìn)行了研究，并分別各自提出理論假設(shè)粗糙表面具有凹槽和凸起結(jié)構(gòu)Wenzel理論Cassie理論液體完全完全滲入到所接觸的粗糙表面凹槽中每個(gè)凹槽內(nèi)截有空氣，水無(wú)法滲透到凹槽內(nèi)，導(dǎo)致空氣滯留在表面凹陷處表面疏水時(shí)，增大固體表面的粗糙度能增大表面的疏水性LOGOcos*=r=Wenzel Wenzel 模型示意圖模型示意圖Wenzel模型：粗糙表面的存在，使得實(shí)際上固液相的接觸面要大于表觀幾何上觀察到的面積，從而對(duì)親(疏)水性產(chǎn)生了增強(qiáng)的作用。表觀表面面積實(shí)際表面面積LVSLSV ) -r(=r COS 1LOGOcoscos = f= fcoscos +(1-f)cos

8、180+(1-f)cos180 = f = f（coscos +1+1）11f=f=aa/ / ( (a a+ +b b) )f f為水與固體接觸的面積與水滴為水與固體接觸的面積與水滴在固體表面接觸的總面積在固體表面接觸的總面積之比之比Cassie 模型示意圖Cassie模型：氣墊模型 (由空氣和固體組成的固體界面)v 固體表面的潤(rùn)濕性能由固體表面的潤(rùn)濕性能由化學(xué)組成化學(xué)組成和和微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)共同決定：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

9、，光滑固體表面接觸角最大為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一種是在粗一種是在粗糙表面修飾糙表面修飾低表面能物低表面能物質(zhì)質(zhì)。制備原理制備原理一種是將疏水一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙材料構(gòu)筑粗糙表面。表面。超疏水表面的制備超疏水表面的制備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靜電紡絲法法

10、超疏水表面超疏水表面(材料材料)制備方法制備方法. 1.復(fù)制模塑法是指先用一種預(yù)聚物A (一般為 PDMS ,有時(shí)也可采用溶液) 復(fù)制出荷葉等超疏水植物葉片表面微結(jié)構(gòu)； 2. 固化A 并從荷葉表面剝離,得到負(fù)型結(jié)構(gòu)的軟模板B ,然后以此軟模板為圖形轉(zhuǎn)移元件,將其表面的負(fù)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其它材料C 表面,經(jīng)過(guò)2 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)。1.模 板 法模板法也稱復(fù)制模塑法,自20世紀(jì)90 年代提出以來(lái)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21 世紀(jì),復(fù)制模塑技術(shù)也深入到超疏水表面的制備研究中,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)。步驟：步驟：復(fù)制模塑技術(shù)制備仿生超疏水表面的操作示意圖

11、模模 板板 法法2.等離子體法等離子體法v 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)。v 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。v 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；v

12、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。 v 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: ( a) 0 min, ( b) 30 min, ( c) 60 min, ( d) 90 min,( e) 120 m

13、in, ( f) 180 min Chen 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)( PS)納米珠陣列納米珠陣列 , ,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面 ( (圖圖 18)18)。在其表面覆蓋。在其表面覆蓋 20 nm20 nm厚的金膜并用十八硫醇厚的金膜并用十八硫醇(ODT)(ODT)進(jìn)行修飾可以進(jìn)行修飾可以增強(qiáng)其疏水性。通過(guò)調(diào)整增強(qiáng)其疏水性。通過(guò)調(diào)整 PSPS納米珠的直徑納米珠的直徑 (440(440190 nm)19

14、0 nm)可以控制表面接觸角可以控制表面接觸角的大小的大小 (132(132 168168 ) )。氧等離子體處理后的超疏水 PS納米珠陣列表面3.化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法v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?；瘜W(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)。v特點(diǎn)特點(diǎn)：該方法成本較高 ，一般用于一些特殊材料的制備。 利用利用 CVDCVD法得到的陣列碳納米管膜的法得到的陣列碳納米管膜的 SEMSEM照片照片: ( : ( a a,b).,b).蜂房結(jié)構(gòu)蜂房結(jié)構(gòu) ( (不同放大倍數(shù)不

15、同放大倍數(shù) ) , ) , (C).(C).島狀島狀 , (d)., (d).柱狀柱狀江雷等利用化學(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。4. 4.靜電紡絲法靜電紡絲法v 靜電紡絲靜電紡絲： 靜電紡絲就是高分子流體靜電霧化的特殊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，可以運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的距離，最終固化成纖維。微小射流，可

16、以運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的距離，最終固化成纖維。v 特點(diǎn)特點(diǎn)：電紡絲具有設(shè)備簡(jiǎn)單：電紡絲具有設(shè)備簡(jiǎn)單 , , 可大面積快速制備，工藝可可大面積快速制備，工藝可控等特點(diǎn)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表面微結(jié)構(gòu)的可控性與均勻性比較差。 江雷等以聚苯乙烯 ( 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)

17、 SEM圖 , ( d) 水滴的形貌圖 (接觸角為 160.4 )v新型超疏水材料的應(yīng)用將十分廣泛：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，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；可以防積雪，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)凝聚水、結(jié)霜霜 、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

18、消除昂貴的藥品在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來(lái)的對(duì)針尖的污染；針尖上的黏附及由此帶來(lái)的對(duì)針尖的污染； 防水和防污處理；防水和防污處理； 超疏水材料的應(yīng)用沙漠集水器沙漠集水器 沙漠集水沙漠集水 輪船底部的低表面能防污涂料輪船底部的低表面能防污涂料海洋生物會(huì)在海洋生物會(huì)在船底板生長(zhǎng)，船底板生長(zhǎng)，增加船底粗糙增加船底粗糙度度。輪船船底涂料輪船船底涂料超疏水性自清潔涂料超疏水性自清潔涂料防冰雪涂料防冰雪涂料 天然氣管道內(nèi)表面超疏水分子膜及其防腐性能天然氣管道表面經(jīng)超疏水改性前后腐蝕液滴的浸潤(rùn)形貌對(duì)比圖展望展望 固體表面的潤(rùn)濕性是一種復(fù)雜的性質(zhì)，它對(duì)固固體表面的潤(rùn)濕性是一種復(fù)雜的性質(zhì)，它對(duì)固體的其它各種表面特性都有影響。目前對(duì)固體材料體的其它各種表面特性都有影響。目前對(duì)固體材料的潤(rùn)濕性的控制、超疏水涂料工業(yè)化的研究仍很有的潤(rùn)濕性的控制、超疏水涂料工業(yè)化的研究仍很有限，有待進(jìn)行詳盡的探索。超疏水涂料涉及表面科限，有待進(jìn)行詳盡的探索。超疏水涂料涉及表面科學(xué)、納米科技、材料科技等眾多領(lǐng)域，是一種工業(yè)學(xué)、納米科技、材料科技