超疏水材料范文

超疏水材料范文超疏水材料范文 LOGO超疏水材料PIRLO材研1109xxxxXX目录应用3 制备2 综述1 展望 4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 静态接触角越大越好滚动角越小越好疏水性的表征量滚动角 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 所形成的临界角度 等于前进角和后退角之差 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 后退角 气固界面取代液固界面后形成的接触角叫做后退角 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 a 下限为后退接触角 r 二者差 a r定义为接触角滞后性 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 壁虎的层次结构的脚趾头 脚趾是由成千上万的丝绸和每一个丝绸包含的几百个细微的铲子结 构 a b 扫描电子显微图和 c 特征的铲子 壁虎脚趾的微观结构超疏水的荷叶和表面结构 a 球形的水滴滴在 荷叶表面 b 荷叶表面大面积的微结构 c 荷叶表面单个乳突 d 荷叶表面的纳米结构出淤泥而不染 濯清涟而不妖 宋 周敦颐 爱莲说 超疏水的荷叶表面 通过实验测试 水滴在荷 叶表面的接触角和滚动角分别为161 0 2 7 和2 这使得荷叶具有了很好的自清洁能力 从上面模型可看出由于荷叶双微观结构的存在 大量空气储存在这 些微小的凹凸之间 使得水珠只与荷叶表面乳突上面的蜡质晶体毛 茸相接触 显著减小了水珠与固体表面的接触面积 扩大了水珠与 空气的界面 因此液滴不会自动扩展 而保持其球体状 这就是荷 叶表面具有超疏水性的原因所在 荷叶表面双微观结构模型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 体的浸润程度 Cassie方程Wenzel方程Young方程 对于光滑 平整 均匀的固体表 面 Thomas Young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 cos SV SL LV式中 LV SV SL分别表示液 气 固 气 固 液界面的表面张力 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假设粗糙表面 具有凹槽和凸起结构Wenzel理论Cassie理论液体完全完全渗入到所 接触的粗糙表面凹槽中每个凹槽内截有空气 水无法渗透到凹槽内 导致空气滞留在表面凹陷处表面疏水时 增大固体表面的粗糙度 能增大表面的疏水性LOGO cos r Wenzel模型示意图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 表观表面面积实际表面面积LVSL SV r r COS 1LOGO cos f cos 1 f cos180 f cos 1 11f a a a b b f f为水与固体接触的面积与水滴在固体表面接触的总面积之比Cassie 模型示意图Cassie模型气垫模型 由空气和固体组成的固体界面 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12000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形成原因一种是 在粗糙表面修饰低表面能物质 制备原理一种是将疏水材料构筑粗糙表面 超疏水表面的制备主要方法模板法等离子体法法化学气相沉积法溶 胶 凝胶法法化学气相沉积法静电纺丝法法超疏水表面 材料 制备方法 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 得到负型结构的软模板B 然后以此软模板为图形转移 元件 将其表面的负型结构转移到其它材料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 步骤复制模塑技术制备仿生超疏水表面的操作示意图模板法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 McCarthy等在聚四氟乙烯 PTFE 存在下 用射频等离子体刻蚀聚丙 烯 PP 制备出粗糙表面 表面与水的前进角 后退角可达 A A R R 172 169 利用射频等离子体刻蚀法在不同刻蚀时间得到的聚丙烯扫描电子形 貌图 a 0min b 30min c 60min d 90min e 120min f 180min Chen等利用纳米球刻蚀的方法首先得到了排列整齐的单层聚苯乙烯 PS 纳米珠阵列 再用氧等离子体处理以进一步减小纳米珠的尺寸从 而得到粗糙表面 图18 在其表面覆盖20nm厚的金膜并用十八硫醇 ODT 进行修饰可以增强其 疏水性 通过调整PS纳米珠的直径 440 190nm 可以控制表面接触角的大小 132 168 氧等离子体处理后的超疏水PS纳米珠阵列表面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 然后他们相 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 a b 蜂房结构 不同放大倍数 C 岛状 d 柱状江雷等利用化 学气相沉积法在石英基底上制备了各种图案结构的阵列碳纳米管膜 结果表明 水在这些膜表面的接触角都大于160 滚动角都小于5 纳米结构与微米结构在表面的阶层排列被认为是产生这种高接触角 低滚动角的原因 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 江雷等以聚苯乙烯 PS 为原料 制备了一种具有新颖的多孔微球与纳 米纤维复合结构的超疏水薄膜 其中多孔微球对薄膜的超疏水性起 主要作用 而纳米纤维则交织成一个三维的网络骨架 捆绑 住多 孔微球 增强了薄膜的稳定性 利用电纺技术得到的复合结构PS薄膜 a c SEM图 d 水滴的形貌 图 接触角为160 4 新型超疏水材料的应用将十分广泛 沙漠集水 远洋轮船船底涂料 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 超疏水材料的应用沙漠集水器沙漠集水轮 船底部的低表面能防污涂料海洋生物会在船底板生长 增加船底粗 糙度度 轮船船底涂料超疏水性自清洁涂料防冰雪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