【超疏水表面的润湿与原理分析概述3400字】

超疏水表面的润湿与原理分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u5050超疏水表面的润湿与原理分析概述 1240251.1液体在固体表面润湿性 12681.2Young’s方程 2252011.3Wenzel方程 3118271.4Cassie-Baxter模型 3185061.5Wenzel-Cassie模型 4231391.6倾斜角 51.1液体在固体表面润湿性液体在固体表面的润湿性即液体对固体的浸润程度，即液体在固体表面铺展的程度，表面润湿性是研究固体表面重要的特性之一。液体在固体表面的润湿程度可以分为沾湿、浸湿和铺展，而为了准确定义液体对固体的浸润程度，通常可以用接触角θ的大小来判别。接触角是在气液固三相的交界处，固液界面到气液界面之间的夹角。当θ=0°或θ≈0°时，液体对固体完全润湿，液体在固体表面上完全铺展，当液体为水时，这个表面为超亲水表面；当θ<90°时，液体对固体润湿，液体在固体表面能够绝大程度的铺展，当液体为水时，此表面为亲水表面；当θ>90°时，液体对固体不润湿，液体在固体表面接触面积大大减小，基本不能铺展，当液体为水时，此表面为疏水表面；当θ>150°时，液体在固体表面呈现球型，完全不能铺展，液体与固体的接触面积极小，液体极易从固体表面滚落，当此液体为水，此表面为超疏水表面。接触角是由固-液-气三相界面张力决定的，所以三相的性质都会对接触角起决定性作用。解释液体与固体表面接触时的超疏水现象的模型主要有以下四种：Young’s模型、Wenzel模型、Cassie-Baxter模型和Wenzel-Cassie模型（如图1.1）。图1.1润湿模型：(a)Young’s模型；(b)Wenzel模型；(c)Cassie-Baxter模；(d)Wenzel-Cassie模型。Figure1.1Wettingstate:(a)Young’smodel;(b)Wenzelmodel;(c)Cassie-Baxtermodeland(d)Wenzel-Cassiemodel1.2Young’s方程为了能够更好的研究，假设一个理想状态，在这个状态下，材料表面光滑无阻力，且组成物质均一，同时在这个状态下，不考虑液滴的重力、粘度等因素的影响，液滴静止时体系的能量最小。此时，液体在材料表面的接触角主要由固-液、固-气、气-液间的三相平衡接触点处的表面张力决定。由此ThomasYoungADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>T</Author><Year>1805</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[29]</style></DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vz02wvfvhwvpf8ew0wdpf0vnetxpxdpp9ptw"timestamp="1619519990">24</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>YoungT</author></authors></contributors><titles><title>Anessayonthecohesionoffluids</title><secondary-title>PhilosophicaltransactionsoftheroyalsocietyofLondon</secondary-title></titles><periodical><full-title>PhilosophicaltransactionsoftheroyalsocietyofLondon</full-title></periodical><pages>65-87</pages><num-vols>95</num-vols><dates><year>1805</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29]给出了接触角（contactangle）的定义（接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方与固-液交界线之间的夹角θ）且推导出了液滴在光滑固体表面接触角θ的大小和表面张力之间满足核算方程——Young’s方程ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>RotenbergY</Author><Year>1983</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[30]</style></DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vz02wvfvhwvpf8ew0wdpf0vnetxpxdpp9ptw"timestamp="1619519993">25</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>RotenbergY,</author><author>BoruvkaL,</author><author>NeumannAW</author></authors></contributors><titles><title>Determinationofsurfacetensionandcontactanglefromtheshapesofaxisymmetricfluidinterfaces</title><secondary-title>JournalofColloidandInterfaceScience</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofColloidandInterfaceScience</full-title></periodical><pages>169-183</pages><volume>93</volume><num-vols>1</num-vols><dates><year>1983</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30]（式1-1）：cos𝜃=𝛾𝑆𝑉−𝛾𝑆𝐿𝛾𝐿𝑉(1-1)式中θ为光滑固体表面的平衡接触角；𝛾𝑆𝑉为固-气界面的表面张力；γ𝑆𝐿为固-液界面的表面张力；𝛾𝐿𝑉为气-液界面的表面张力。由此方程可知，对于理想表面，当固体表面的表面能降低时，接触角增大即固体表面的疏水性能增强。Young’s方程的提出是建立在诸多的理想条件（如图1.1（a）所示），而在实际应用中，理想条件的每一项都不存在，固体表面粗糙，固体组成并不均匀，液滴的重力、粘度等因素存在对接触角的影响，而这些因素是Young’s方程无法解释的，Young’s方程的应用也因此受到了限制。1.3Wenzel方程Young’s方程存在巨大缺陷，其中最重要的部分时没有假设固体表面光滑，从而忽略了固体表面的粗糙度这一重要的影响因素，因为粗糙的表面的表面积远远大于光滑表面的表面积。因此WenzelADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>N</Author><Year>1949</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[31]</style></DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vz02wvfvhwvpf8ew0wdpf0vnetxpxdpp9ptw"timestamp="1619519995">26</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>WenzelRN</author></authors></contributors><titles><title>Surfaceroughnessandcontactangle</title><secondary-title>TheJournalofPhysicalChemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>TheJournalofPhysicalChemistry</full-title></periodical><volume>53</volume><num-vols>9</num-vols><dates><year>1949</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31]认为需要对Young’s方程进行校正。Wenzel认为在粗糙表面的结构是凹凸不平的，因此存在大量的凹槽，液体在固体表面始终能填满凹槽（如图1.1（b）所示）。因此Wenzel引入了粗糙度因子r对Young’s方程进行了修正，粗糙度因子r表示固液两相实际接触面积与表观接触面积的比值，是一个恒大于1的无量纲常熟，修正后的Young’s方程可表示为（Wenzel方程）式（1-2）：cos𝜃𝑤=𝑟∙𝛾𝑆𝑉−𝛾𝑆𝐿𝛾𝐿𝑉=𝑟cos𝜃𝑒（1-2）式中𝜃𝑤为Wenzel模型的平衡接触角，也是粗糙固体表面的表观接触角；r代表表面粗糙因子，𝜃𝑒表示理想状态下，表面光滑组成均一的平衡接触角。由式1-2可知，当光滑表面的接触角𝜃𝑒<90°时，则有𝜃𝑤<𝜃𝑒，粗糙表面会使表观接触角小于理想状态的平衡接触角，即𝜃𝑤随着粗糙因子r增大而减小；当光滑表面的接触角𝜃𝑒>90°时，则有𝜃𝑤>𝜃𝑒，粗糙表面会使表观接触角大于理想状态的平衡接触角，即𝜃𝑤随着粗糙因子r增大而增大。因此得知，调整表面的粗糙度可以影响固体表面的亲水疏水的程度，在固体本身是亲水材料时，增大表面的粗糙度可以增强亲水材料的亲水性，当固体本身是疏水材料时，增强表面的粗糙度可以增强表面的疏水性。在极端粗糙的表面，粗糙因子r≫1，这就会使得Wenzel方程等式不成立。另外，Wenzel方程的提出是建立在整个模型处于热力学稳定的平衡状态下，但在实际情况下液体滴落在粗糙不平的固体表面时需要克服一系列由于固体表面凹凸不平而引起的能量势垒，液滴在固体表面很难达到Wenzel方程所要求的液滴完全充满非理想表面的粗糙结构的平衡状态。当出现固体表面材料的组成结构、种类不同时，液滴在表面处于某种亚稳定状态时，Wenzel方程不再适用。1.4Cassie-Baxter模型Cassie和Baxter等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Cassie</Author><Year>1944</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[32]</style></DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vz02wvfvhwvpf8ew0wdpf0vnetxpxdpp9ptw"timestamp="1619520000">27</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Cassie,A.B.D.</author><author>Baxter,S.</author></authors></contributors><titles><title>Wettabilityofporoussurfaces</title><secondary-title>TransactionsoftheFaradaySociety</secondary-title></titles><periodical><full-title>TransactionsoftheFaradaySociety</full-title></periodical><volume>40</volume><section>546</section><dates><year>1944</year></dates><isbn>0014-7672</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1039/tf9444000546</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[32]对超疏水现象进行了大量的研究后，他们在Wenzel模型的基础上提出了复合接触角的概念。Cassie和BaXter认为液体在与固体表面接触时，并不能完全浸入粗糙结构的凹槽部分，在凹槽中的空气因为气压、重力和表面张力等原因继续停留在凹槽之中，固液表观接触面上固体和气体同时存在（如图1.1（c）所示）。此时，液滴与粗糙固体表面的接触分为两部分：液滴与粗糙固体表面的突出部分直接接触以及液滴与被截留在凹陷部分的空气直接接触。通过研究两种不同化学组成的异相表面润湿性，Cassie和Baxter等人提出了Cassie-Baxter方程（式1-3）：cos𝜃𝑐=𝑓𝑠cos𝜃𝑠+𝑓𝑣cos𝜃𝑣（1-3）式中𝜃𝑐为复合固体表面的表观接触角；𝜃𝑠为液滴与固体的接触角；𝜃𝑣为液滴与空气的接触角；𝑓𝑠为液滴与固体接触所占有的单位表观面积分数；𝑓𝑣为液滴与空气接触所占有的单位表观面积分数。其中𝑓𝑠+𝑓𝑣=1，𝜃𝑣=180°，则式1-3可转换为式1-4：cos𝜃𝑐=𝑓𝑠(𝑐𝑜𝑠𝜃+1)−1(1-4)由式（1-4）可知，当固-液接触面之间存在空气层时，表观接触角𝜃𝑐会显著增加，且𝜃𝑐会随着固-液接触面积分数𝑓𝑠的减小而增大。因此得知，固体表面的结构越能够截留空气，液体与固体表面的接触面积越小，表观接触角𝜃𝑐越大，材料表面的疏水性也越好。当然Cassie-Baxter方程的情况除了考虑了粗糙度，其他条件也是理想的。1.5Wenzel-Cassie模型Wenzel模型和Cassie-Baxter模型都是建立在相对理想的状态下。Wenzel模型是建立在液体总是充满粗糙表面的凹陷部分，Cassie-Baxter模型是建立在液体总是站立在粗糙表面的突出部分。而液滴可能在浸入凹陷部分一定深度的同时也截留了一部分的空气，即液滴处于Wenzel模型和Cassie-BaXter模型的中间状态（如图1.1（d）所示）。科学工作者经过试验研究，对Wenzel理论和Cassie-Baxter理论进行了补充，逐渐发展出了过渡润湿理论ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Feng</Author><Year>2006</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9,33]</style></DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vz02wvfvhwvpf8ew0wdpf0vnetxpxdpp9ptw"timestamp="1619520004">28</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Feng,X. J</author><author>Jiang,L.</author></authors></contributors><titles><title>DesignandCreationofSuperwetting/AntiwettingSurfaces</title><secondary-title>AdvancedMaterials</secondary-title></titles><periodical><full-title>AdvancedMaterials</full-title></periodical><pages>3063-3078</pages><volume>18</volume><number>23</number><section>3063</section><dates><year>2006</year></dates><isbn>09359648 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