超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用PPT教案課件

會計學(xué)1超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用超疏水的概念表面的疏水性能通常用表面與水靜態(tài)的接觸角和動態(tài)的滾動角描述。超疏水表面是指與水的接觸角大于

150

°，而滾動角小于10°的表面。接觸角通常是用接觸角測定儀來獲得。靜態(tài)接觸角：

越大越好滾動角： 越小越好疏水性的表征量22014/3/28第1頁/共23頁不同表面水滴接觸界面狀態(tài)32014/3/28第2頁/共23頁自然界的啟示自然界不會活性聚合，也不會乳液聚合，卻可以有著比任何人工合成材料更好的疏水性能——所謂“超疏水”的生命現(xiàn)象。32014/3/28第3頁/共23頁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80nm，納米柱的間距大約在180nm．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2014/3/確確28

保了自清潔功能。5第4頁/共23頁壁虎的層次結(jié)構(gòu)的腳趾頭。腳趾是由成千上萬的絲綢和每一個絲綢包含的幾百個細微的鏟子結(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)2014/3/286第5頁/共23頁2014/3/28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)荷葉表面單個乳突（d）荷葉表面的納米結(jié)構(gòu)出淤泥而不染，濯清漣而不妖。--宋.周敦頤《愛蓮說》超疏水的荷葉表面7第6頁/共23頁通過實驗測試，水滴在荷葉表面的接觸角和滾動角分別為

161.0°±2.7

o

和2

o

。這使得荷葉具有了很好的自清潔能力。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)晶體毛茸相接觸，顯著減小了水珠與固體表面的接

觸面積，擴大了水珠與空氣的界面，因此液滴不會自動擴展，

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。荷葉表面雙微觀結(jié)構(gòu)模型82014/3/28第7頁/共23頁固體表面的潤濕性能由化學(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：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1200左右。表面幾何結(jié)構(gòu)有重要影響：具有微細粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏（親）水表面的疏（親）水性能82014/3/28第8頁/共23頁超疏水表面的形成原因超疏水表面的制備92014/3/28第9頁/共23頁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。主要方法模板法等離子體法化學(xué)氣相沉積法溶膠-凝膠法化學(xué)氣相沉積法靜電紡絲法……….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)。102014/3/28第10頁/共23頁一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面。1.模

板

法112014/3/28第11頁/共23頁

模板法也稱復(fù)制模塑法,自20世紀(jì)90 年代提出以來已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。進入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)制中有著獨特的優(yōu)勢。步驟：復(fù)制模塑法是指先用一種預(yù)聚物A

(一般為PDMS

,有時也可采用溶液) 復(fù)制出荷葉等超疏水植物葉片表面微結(jié)構(gòu)；固化A 并從荷葉表面剝離,得到負型結(jié)構(gòu)的軟模板B

,然后以此軟模板為圖形轉(zhuǎn)移元件,將其表面的負型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其它材料C 表面,經(jīng)過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)。復(fù)制模塑技術(shù)制備仿生超疏水表面的操作示意圖模

板

法122014/3/28第12頁/共23頁2.等離子體法等離子體：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)存在的第四態(tài)。等離子體法原理：利用等離子體對表面進行處理，獲得粗糙結(jié)構(gòu)，從而得到超疏水性的材料表面。優(yōu)點：快速、選擇性高、表面均勻；缺點：設(shè)備昂貴，且不利于大面積制備。132014/3/28第13頁/共23頁McCarthy等在聚四氟乙烯(PTFE)存在下,用射頻等離子體刻蝕聚丙烯(PP)制備出粗糙表面。表面與水的前進角/后退角可達θA

/θR

=

172°/169°。利用射頻等離子體刻蝕法在不同刻蝕時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

min,

(

f)

180

min142014/3/28第14頁/共23頁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)進行修飾可以增強其疏水性。通過調(diào)整

PS納米珠的直徑

(440～190

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152014/3/28第15頁/共23頁3.化學(xué)氣相沉積法原理：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個反應(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)的制備薄膜的技

術(shù)。特點：該方法成本較高 ，一般用于一些特殊材料的制備。4.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，可以運行相當(dāng)長的距離，最終固化成纖維。特點：電紡絲具有設(shè)備簡單

, 可大面積快速制備，工藝可控等特點 ,適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但它的一個較大缺點就是表面微結(jié)構(gòu)的可控性與均勻性比較差。162014/3/28第16頁/共23頁利用

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)),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為是產(chǎn)生這種高接觸角、低滾動角的原因。2014/3/2(8C).島狀,(d).柱狀18第17頁/共23頁江雷等以聚苯乙烯

(

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?/p>

, 而納米纖維則交織成一個三維的網(wǎng)絡(luò)骨架

,“ 捆綁

” 住多孔微球

, 增強了薄膜的穩(wěn)定性。利用電紡技術(shù)得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)PS薄膜:(a～c)SEM圖,(d)水滴的形貌圖(接觸角為160.4°)192014/3/28第18頁/共23頁新型超疏水材料的應(yīng)用將十分廣泛：沙漠集水；遠洋輪船船底涂料，可以達到防污、防腐的效果；室外天線上，建筑玻璃，汽車、飛機擋風(fēng)玻璃上，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，凝聚水、結(jié)霜

、結(jié)冰現(xiàn)象；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上的黏附及由此帶來的對針尖的污染；防水和防污處理；………202014/3/28第19頁/共23頁