超疏水表面的應(yīng)用(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上超疏水表面的應(yīng)用 摘要：由于超疏水表面在自清潔表面、微流體系統(tǒng)和生物相容性等方面的潛在應(yīng)用,有關(guān)超疏水表面的研究引起了極大的關(guān)注。本文簡述了超疏水表面的制備方法，歸納了超疏水表面的應(yīng)用,對超疏水表面研究的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：超疏水；制備；應(yīng)用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。該特殊表面在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有著極其廣闊的應(yīng)用前景,如玻璃表面的防霧、交通指示燈的自清潔、船體表面的潤滑和紡織品的防污性能等。滾動角的大小代表了一個薄膜表面的滯后程度。從理

2、論上講,真正意義的超疏水表面既要有較大的靜態(tài)接觸角,又要有較小的滾動角1。1 常見超疏水表面制備方法人工制備超疏水表面雖然時間不長，但發(fā)展特別迅速，有效的制備方法也越來越多，主要有模板法、靜電紡絲法、相分離與自組裝法、溶膠-凝膠法、刻蝕法、水熱法、化學(xué)沉積與電沉積法、納米二氧化硅法、腐蝕法等。2 超疏水表面的應(yīng)用功能性應(yīng)用的眾多需求一直驅(qū)使著超疏水表面不斷研究發(fā)展。現(xiàn)如今,在不同的領(lǐng)域涌現(xiàn)出一大批新型、高效的應(yīng)用方式2。2.1 微物質(zhì)能量領(lǐng)域超疏水表面的一個很重要的應(yīng)用即為其超疏水性的可逆性。超疏水可逆性原理可應(yīng)用于液滴或納米粒子的操縱和微米級毛細(xì)管引擎。Noso no vsky 等 通過光照

3、或電壓等增加下板表面能量到一定值,半月板下移形成毛細(xì)管橋,反則下半月板恢復(fù)到原來的位置。類似的原理可以用于微物質(zhì)的操控,例如,一個小液滴,當(dāng)承載基板為低表面能時被抬起；反則液滴被釋放。這樣就以實現(xiàn)表面能與機械能之間的能量轉(zhuǎn)化,進(jìn)而促成多種能量之間的變換。此類實驗的成功微物質(zhì)領(lǐng)域的能量應(yīng)用發(fā)展提供了廣闊的空間。2.2 燃料領(lǐng)域在傳統(tǒng)燃料輸送設(shè)備中,剩余燃料都會造成很大的浪費,與此相關(guān)的應(yīng)用是使用超疏油表面進(jìn)行燃料經(jīng)濟性操作, 即在設(shè)備內(nèi)制得超疏油表面,雖然所用的表面是超疏油性的,但其制備原理與超疏水表面制備方法極其類似, T uteja 等在油料輸送管道和儲油罐內(nèi)制備出以低表面能物質(zhì)修飾的粗糙表

4、面,同樣可以適用于低表面能油料流體的輸送。這一成果具有很高的工業(yè)應(yīng)用價值,其規(guī)?；瘧?yīng)用潛力巨大。2.3 光學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谝恍┕鈱W(xué)儀器來說,自清潔功能顯得尤為重要,于是涌現(xiàn)出相當(dāng)多有關(guān)于高透性、無反射性或高反射性超疏水表面的研究。為了得到表面的透光性,構(gòu)成表面粗糙結(jié)構(gòu)的顆粒就必須小于可見光波長。實際中制備高反射性能的超疏水表面是有比較大的難度的,從表面粗糙度的觀點來看,隨著表面粗糙度的增加,表面的疏水效果增加,但同時表面的反射性能會減弱。為解決此問題, Shen 等通過控制銀鏡反應(yīng)制備出了具有超疏水性能的高反射銀鏡面。使得在保證高反射性的前提下,制備具有超疏水性能基面這一難題得以實現(xiàn)。2.4 生物醫(yī)

5、學(xué)領(lǐng)域生物領(lǐng)域中, 基材表面的生物粘附是一個復(fù)雜的現(xiàn)象,它包括在有機質(zhì)和界面之間多種不同的相互作用。Wang 等將制備的親水/ 超疏水的表面浸入蛋白質(zhì)溶液中時,在超疏水部分形成空氣層,這個隔離墻就阻止了細(xì)胞與表面的接觸,形成了分離區(qū)域,而活細(xì)胞可以在親水性表面自由生長。在臨床治療方面,超疏水表面表現(xiàn)出抗細(xì)胞粘附的特性。用一種部分氟化的且具有生物兼容性的聚氨基甲酸乙酯表面來測試對血小板的粘附性,實驗表明, 相比于普通聚氨基甲酸乙酯表面對血小板強烈的粘附作用,具有超疏水性能的表面對血小板幾乎沒有任何粘附作用。2.5 金屬防銹領(lǐng)域前文曾提到Xi 等直接在銅板上制得粗糙表面,不經(jīng)任何化學(xué)處理就得超疏水

6、防銹表面的例子。這里還有一種金屬防銹的應(yīng)用, Liu 等將銅與肉豆蔻酸( 十四酸) 的乙醇溶液反應(yīng),在銅面形成超疏水涂層,二者之間粘著力較好,且經(jīng)過該法處理的銅,可以在海水環(huán)境中保持一個月。這一實驗的成功,為海中作業(yè)的船舶、設(shè)備等提供了良好的防腐思路。2.6 電池中的應(yīng)用在電池系統(tǒng)中引入超疏水材料可以使電池效率和耐久性得到改善。Lifton 等開發(fā)了一種基于納米超疏水材料的新型電池。電池兩極均由修飾了超疏水涂層的硅質(zhì)材料構(gòu)成,這樣可以有效的將電解液和活性電極材料分隔開,防止副反應(yīng)的發(fā)生。在燃料電池系統(tǒng)中,以碳納米管作為陰極催化劑,上面裝載鉑納米顆粒,碳納米管的超疏水性可以促使移除在電極反應(yīng)中產(chǎn)

7、生的水,從而提升系統(tǒng)中的傳質(zhì)過程,進(jìn)而有效提高燃料電池效率。2.7 織物上的應(yīng)用擁有超疏水性的織物不僅要求高的憎水性,也同時要保證無毒、舒適的原則。曾經(jīng)有人嘗試將超疏水性面料編制成織物,例如Ma 等將聚己內(nèi)酯、苯乙烯和二甲基硅氧烷形成的嵌段聚合物制成纖維。因為這兩種纖維出色的憎水性和較低的滾動角,使其成為紡織具有超疏水功能和自清潔功能織物的優(yōu)選備用材料。3 展望超疏水表面具有廣泛的應(yīng)用前景,近年來已成為材料研究的熱點,已經(jīng)開發(fā)了眾多不同的制備原料和工藝方法;通過模型分析,對于表面微觀結(jié)構(gòu)與接觸角、滯后、浸潤狀態(tài)之間的關(guān)系也有了更深入的認(rèn)識,為制備具有特殊表面浸潤性材料提供了一定的理論指導(dǎo)。但是

8、超疏水表面的實際應(yīng)用還未能普及,許多問題還亟待解決。首先,簡單經(jīng)濟、環(huán)境友好的制備方法有待開發(fā)。現(xiàn)有報道的大多數(shù)超疏水表面的制備過程中均涉及到用較昂貴的低表面能物質(zhì),如含氟或硅烷的化合物來降低表面的表面能,而且許多方法涉及到特定的設(shè)備、苛刻的條件和較長的周期,難以用于大面積超疏水表面的制備3。其次,從實際應(yīng)用角度考慮,現(xiàn)有的超疏水表面的強度和持久性差,使得這種表面在許多場合的應(yīng)用受到限制。表面的微結(jié)構(gòu)也因機械強度差而易被外力破壞,導(dǎo)致超疏水性的喪失；另外在一些場合或長期使用中表面也可能被油性物質(zhì)污染,使得疏水性變差。開發(fā)具有表面微結(jié)構(gòu)可修復(fù)的超疏水表面及實現(xiàn)超雙疏功能(既疏水又疏油) 可能是解決實際應(yīng)用問題的最佳方案。此外,從理論分析角度考慮,對于表面微結(jié)構(gòu)的幾何形貌、尺寸與表面浸潤性,尤其是與滯后直接聯(lián)系的定量研究還有待深入。最后,超疏水表面的應(yīng)用領(lǐng)域還有待拓展,尤其是在生物領(lǐng)域中。在超疏水表面上具有生物活性物質(zhì)如細(xì)胞、蛋白等的生長、與表面間的相互作用等都將是值得研究的內(nèi)容。參考文