超疏水材料課件

1、超疏水高分子材料,1,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水高分子材料的綜述,01,超疏水材料的制備,02,超疏水材料的應(yīng)用,03,目錄,研究展望,04,2,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水高分子材料的綜述,3,PPT學(xué)習(xí)交流,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。 超疏水的表征量 靜態(tài)接觸角：越大越好 滾動角：越小越好,4,PPT學(xué)習(xí)交流,接觸角和滾動角,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

2、的取值唯一。而是在相對穩(wěn)定的兩個角度之間變化，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，下限為后退接觸角，二者差= - 定義為接觸角滯后性,滾動角（SA）：滾動角是指液滴在 傾斜表面上剛好發(fā)生滾動時，傾斜表 面與水平面所形成的臨界溫度。等于 前進(jìn)角和后腿腳之差。 前進(jìn)角：液固界面取代氣固界面后形 成的接觸角叫做前進(jìn)角； 后腿角：氣固界面取代液固界面后形 成的接觸角叫做后退角。,5,PPT學(xué)習(xí)交流,不同表面水滴接觸界面狀態(tài),6,PPT學(xué)習(xí)交流,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,7,PPT學(xué)習(xí)交流,蟬翼表面的

3、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)，從而確保了自清潔功能。,8,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水基本理論,材料的浸潤性是由表面的化學(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固體的浸潤成度。,Young方程,Wenzel方程,Cassie方程,9,PPT學(xué)習(xí)交流,對于光滑、平整。均勻的固體表面，Thomas Young在1805年提出了接觸角與表面能之間的關(guān)系，即著名的Young方程（Young Equation）: SV = SL + LV

4、cose SV SL LV分別為顧氣、固液、液氣間的 液面張力,10,PPT學(xué)習(xí)交流,由于Young方程僅適用于理想中的光滑固體表面，Wenzel和Cassie對粗糙表面的浸潤性進(jìn)行了研究，并分別各自提出理論,11,PPT學(xué)習(xí)交流,Wenzel模型,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，從而對親（疏）水性產(chǎn)生了增強(qiáng)的作用。,12,PPT學(xué)習(xí)交流,Cassie模型,Cassie模型：氣墊模型（由空氣和固體組成的固體界面）,13,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水表面的形成原因,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

5、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120左右。 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）水表面的疏（親）水性能,14,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水表面的制備,制備原理,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,15,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水表面（材料）制備方法,16,PPT學(xué)習(xí)交流,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(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。 步驟： 1、復(fù)制模塑法是指先用一種預(yù)聚物A（一般為PDMS，

6、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)； 2、固化A并從荷葉表面剝離，得到負(fù)型結(jié)構(gòu)的軟膜板B，然后以此軟膜板為圖形轉(zhuǎn)移元件，將其表面的負(fù)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其他材料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)。,1、模板法,17,PPT學(xué)習(xí)交流,模板法,18,PPT學(xué)習(xí)交流,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(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)存在的第四態(tài)。 等離子體法原理：利用等離子體對表面進(jìn)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(diǎn)：快速、選擇性高、表面均勻 缺點(diǎn)：設(shè)

7、備昂貴，且不利于大面積制備。,19,PPT學(xué)習(xí)交流,20,PPT學(xué)習(xí)交流,21,PPT學(xué)習(xí)交流,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)，然后它們相互之間發(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(diǎn)：該方法成本較高，一般用于一些特殊材料的制備。,22,PPT學(xué)習(xí)交流,利用CVD法得到的陣列碳納米管膜的SEM照片（a,b）.峰房結(jié)構(gòu)（不同放大倍數(shù)），（C）島狀，（d）柱狀,23,PPT學(xué)習(xí)交流,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

8、以運(yùn)行相當(dāng)長的距離，最終固化成纖維。 特點(diǎn)：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(diǎn)，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但它的一個較大缺點(diǎn)就是表面微結(jié)構(gòu)的可控性與均勻性比較差。,24,PPT學(xué)習(xí)交流,25,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水材料的應(yīng)用,新型超疏水材料的應(yīng)用將十分廣泛： 沙漠集水 遠(yuǎn)洋輪船傳遞涂料，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； .,26,PPT學(xué)習(xí)交流,沙漠集水器,27,PPT學(xué)習(xí)交流,沙漠集水,28,PPT學(xué)習(xí)交流,輪船船底涂料,29,PPT學(xué)習(xí)交流,30,PPT學(xué)習(xí)交流,31,PPT學(xué)習(xí)交流,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形貌對比圖,32,PPT學(xué)習(xí)交流,展望,固體表面的潤濕性是一種復(fù)雜的性質(zhì)，它對固體的其它各種表面特性都有影響。目前對固體材料的潤濕性的控制、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學(xué)、納米科技、材料科