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超疏水高分子材料 超疏水高分子材料的综述 01 超疏水材料的制备 02 超疏水材料的应用 03 目录 研究展望 04 超疏水高分子材料的综述 超疏水的概念 表面的疏水性能通常用表面与水静态的接触角和动态的滚动角描述 超疏水表面是指与水的接触角大于150 而滚动角小于10 的表面 接触角通常是用接触角测定仪来获得 超疏水的表征量静态接触角 越大越好滚动角 越小越好 接触角和滚动角 接触角的滞后性真实固体表面在一定程度上或者粗糙不平或者化学组成不均一 这就使得实际物体表面上的接触角并非如Young方程所预示的取值唯一 而是在相对稳定的两个角度之间变化 这种现象被称为接触角滞后现象 上限为前进接触角 下限为后退接触角 二者差 定义为接触角滞后性 滚动角 SA 滚动角是指液滴在倾斜表面上刚好发生滚动时 倾斜表面与水平面所形成的临界温度 等于前进角和后腿脚之差 前进角 液固界面取代气固界面后形成的接触角叫做前进角 后腿角 气固界面取代液固界面后形成的接触角叫做后退角 不同表面水滴接触界面状态 自然界的启示 自然界不会活性聚合 也不会乳液聚合 却可以有着比任何人工合成材料更好的疏水性能 所谓 超疏水 的生命现象 蝉翼表面的超疏水结构 蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成 纳米柱的直径大约在80nm 纳米柱的间距大约在180nm 规则排列纳米突起所构建的粗糙度使其表面稳定吸附了一层空气膜 诱导了其超疏水的性质 从而确保了自清洁功能 超疏水基本理论 材料的浸润性是由表面的化学组成和微观几何结构共同决定的 通常以接触角 表征液体对固体的浸润成度 Young方程 Wenzel方程 Cassie方程 对于光滑 平整 均匀的固体表面 ThomasYoung在1805年提出了接触角与表面能之间的关系 即著名的Young方程 YoungEquation SV SL LV cos e SV SL LV分别为顾气 固液 液气间的液面张力 由于Young方程仅适用于理想中的光滑固体表面 Wenzel和Cassie对粗糙表面的浸润性进行了研究 并分别各自提出理论 Wenzel模型 Wenzel模型 粗糙表面的存在 使得实际上固液相的接触面要大于表观几何上观察到的面积 从而对亲 疏 水性产生了增强的作用 Cassie模型 Cassie模型 气垫模型 由空气和固体组成的固体界面 超疏水表面的形成原因 固体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同决定 化学组成结构是内因 低表面自由能物质如含硅 含氟可以得到疏水的效果 研究表明 光滑固体表面接触角最大为120 左右 表面几何结构有重要影响 具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高疏 亲 水表面的疏 亲 水性能 超疏水表面的制备 制备原理 一种是在粗糙表面修饰低表面能物质 一种是将疏水材料构筑粗糙表面 超疏水表面 材料 制备方法 模板法也称复制模塑法 自20世纪90年代提出以来已经得到了广泛应用 进入21世纪 复制模塑技术也深入到超疏水表面的制备研究中 尤其是在仿生超疏水表面的复制中有着独特的优势 步骤 1 复制模塑法是指先用一种预聚物A 一般为PDMS 有时也可采用溶液 复制出荷叶等超疏水植物叶片表面微结构 2 固化A并从荷叶表面剥离 得到负型结构的软膜板B 然后以此软膜板为图形转移元件 将其表面的负型结构转移到其他材料C表面 经过2次复制最终得到与荷叶表面特征相似的仿荷叶微结构 1 模板法 模板法 2 等离子体法 等离子体 是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质 它广泛存在于宇宙中 常被视为是除去固 液 气外 物质存在的第四态 等离子体法原理 利用等离子体对表面进行处理 获得粗糙结构 从而得到超疏水性的材料表面 优点 快速 选择性高 表面均匀缺点 设备昂贵 且不利于大面积制备 3 化学气相沉积法 原理 两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内 然后它们相互之间发生化学反应 形成一种新的材料 沉积到晶片表面上 化学气相沉积法是传统的制备薄膜的技术 特点 该方法成本较高 一般用于一些特殊材料的制备 利用CVD法得到的阵列碳纳米管膜的SEM照片 a b 峰房结构 不同放大倍数 C 岛状 d 柱状 4 静电纺丝法 静电纺丝 静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式 此时雾化分裂出的物质不是微小液滴 而是聚合物微小射流 可以运行相当长的距离 最终固化成纤维 特点 电纺丝具有设备简单 可大面积快速制备 工艺可控等特点 适用于工业化生产 但它的一个较大缺点就是表面微结构的可控性与均匀性比较差 超疏水材料的应用 新型超疏水材料的应用将十分广泛 沙漠集水远洋轮船传递涂料 可以达到防污 防腐的效果 室外天线上 建筑玻璃 汽车 飞机挡风玻璃上 可以防积雪 自清洁 冰箱 冷柜等制冷设备的内胆表面上 凝聚水 结霜 结冰现象 天然气 石油管道内壁表面超疏水分子膜 用于微量注射器针尖 可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由此带来的对针尖的污染 防水和防污处理 沙漠集水器 沙漠集水 轮船船底涂料 天然气管道内表面超疏水分子膜及其防腐性能 天然气管道表面经超疏水改性前后腐蚀液滴的浸润形貌对比图 展望 固体表面的润湿性是一种复杂的性质 它对固体的其它各种表面特性都有影响 目前对固体材料的润湿性的控制 超疏水涂料工业化的研究仍很有限 有待进行详尽的探索 超疏水涂料涉及表面科学 纳米科技