超疏水現象及應用

1、超疏水現象及應用2014/3/281超疏水的概念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。角和動態(tài)的滾動角描述。超疏水超疏水表面是指與水的接觸角大于表面是指與水的接觸角大于 150 150 ，而滾動角小于而滾動角小于 1010的表面。的表面。接觸角通常是用接觸角測定儀來獲得。接觸角通常是用接觸角測定儀來獲得。 靜態(tài)接觸角：靜態(tài)接觸角： 越越大大越好越好 滾動角：滾動角： 越越小小越好越好疏水性的表征量疏水性的表征量2014/3/282不同表面水滴接觸界面狀態(tài)2014/3/283自然界的啟示自然界的啟示 自然界不會活性聚合，自然

2、界不會活性聚合，也不會乳液聚合，卻可以也不會乳液聚合，卻可以有著比任何人工合成材料有著比任何人工合成材料更好的疏水性能更好的疏水性能所謂所謂“超疏水超疏水”的生命現象的生命現象。2014/3/284蟬翼表面的超疏水結構蟬翼表面由規(guī)則排列的納米柱狀結構組成納米柱的直徑大約在80 nm，納米柱的間距大約在180 nm規(guī)則排列納米突起所構建的粗糙度使其表面穩(wěn)定吸附了一層空氣膜，誘導了其超疏水的性質，從而確保了自清潔功能。2014/3/285 壁虎的層次結構的腳趾頭。腳趾是由成千上萬的絲綢和每一個絲綢包含的幾百個細微的鏟子結構。(a,b)掃描電子顯微圖和(c)特征的鏟子。壁虎腳趾的微觀結構壁虎腳趾的微

3、觀結構2014/3/2862014/3/28超疏水的荷葉和表面結構（a)球形的水滴滴在荷葉表面（b)荷葉表面大面積的微結構（c)荷葉表面單個乳突（d）荷葉表面的納米結構出淤泥而不染，出淤泥而不染，濯清漣而不妖。濯清漣而不妖。-宋宋.周敦頤周敦頤愛蓮說愛蓮說超疏水的荷葉表面超疏水的荷葉表面7荷葉表面雙微觀結構模型荷葉表面雙微觀結構模型2014/3/288 固體表面的潤濕性能由化學組成和微觀結構共同決定： 化學組成結構是內因：化學組成結構是內因： 低表面自由能物質如含硅、含氟可以得到疏水的效低表面自由能物質如含硅、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果。研究表明，光滑固體表面

4、接觸角最大為1201200 0左左右。右。 表面幾何結構有重要影響：表面幾何結構有重要影響： 具有微細粗糙結構的表面可以有效的提高疏（親）具有微細粗糙結構的表面可以有效的提高疏（親）水表面的疏（親）水性能水表面的疏（親）水性能超疏水表面的形成原因超疏水表面的形成原因2014/3/289超疏水表面的制備超疏水表面的制備一種是在粗糙表面修飾低表面能物質一種是在粗糙表面修飾低表面能物質。一種是將疏水材料構筑粗糙表面。一種是將疏水材料構筑粗糙表面。2014/3/2810主要方法主要方法模板法模板法等離子體等離子體法法化學氣相化學氣相沉積法沉積法溶膠溶膠-凝膠凝膠法法化學氣相沉化學氣相沉積法積法靜電紡絲

5、靜電紡絲法法.超疏水表面的制備超疏水表面的制備一種是在粗糙表面修飾低表面能物質一種是在粗糙表面修飾低表面能物質。一種是將疏水材料構筑粗糙表面。一種是將疏水材料構筑粗糙表面。2014/3/2811 1. 1.復制模塑法是指先用一種預聚物復制模塑法是指先用一種預聚物A (A (一般為一般為 PDMS ,PDMS ,有時也可采用溶液有時也可采用溶液) ) 復制出荷葉等超疏水復制出荷葉等超疏水植物葉片表面微結構；植物葉片表面微結構； 2. 2. 固化固化A A 并從荷葉表面剝離并從荷葉表面剝離, ,得到負型結構得到負型結構的軟模板的軟模板B ,B ,然后以此軟模板為圖形轉移元件然后以此軟模板為圖形轉移

6、元件, ,將將其表面的負型結構轉移到其它材料其表面的負型結構轉移到其它材料C C 表面表面, ,經過經過2 2 次復制最終得到與荷葉表面特征相似的仿荷葉微次復制最終得到與荷葉表面特征相似的仿荷葉微結構結構。1.模 板 法模板法也稱復制模塑法模板法也稱復制模塑法, ,自自2020世紀世紀90 90 年代提出以來已年代提出以來已經得到了廣泛應用。進入經得到了廣泛應用。進入21 21 世紀世紀, ,復制模塑技術也深入復制模塑技術也深入到超疏水表面的制備研究中到超疏水表面的制備研究中, ,尤其是在仿生超疏水表面尤其是在仿生超疏水表面的復制中有著獨特的優(yōu)勢。的復制中有著獨特的優(yōu)勢。步驟：步驟：2014/

7、3/2812復制模塑技術制備仿生超疏水表面的操作示意圖模模 板板 法法2014/3/28132.等離子體法等離子體法 等離子體等離子體：是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產生的正負電子組成的離子化氣體狀物質，它廣泛存在于產生的正負電子組成的離子化氣體狀物質，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態(tài)。態(tài)。 等離子體法原理等離子體法原理：利用等離子體對表面進行處理，獲得粗：利用等離子體對表面進行處理，獲得粗糙結構糙結構 ，從而得到超疏水性的材料表面。，從而得到超疏水性的材料表面。

8、 優(yōu)點優(yōu)點：快速、選擇性高、表面均勻；：快速、選擇性高、表面均勻； 缺點缺點：設備昂貴：設備昂貴 ，且不利于大面積制備。，且不利于大面積制備。2014/3/2814 McCarthyMcCarthy等在聚四氟乙烯等在聚四氟乙烯 ( PTFE)( PTFE)存在下存在下 , , 用射頻等離子體刻蝕聚丙烯用射頻等離子體刻蝕聚丙烯 ( PP)( PP)制備出粗糙表面。表面與水的前進角制備出粗糙表面。表面與水的前進角 / /后退角可達后退角可達 A A / /R R = = 172172/169/169。利用射頻等離子體刻蝕法在不同刻蝕時間得到的聚丙烯掃描電子形貌圖利用射頻等離子體刻蝕法在不同刻蝕時間

9、得到的聚丙烯掃描電子形貌圖: ( a) 0 min, ( b) 30 min, ( c) 60 min, ( d) 90 min,( e) 120 min, ( f) 180 min2014/3/2815 Chen等利用納米球刻蝕的方法首先得到了排列整齊的單層聚苯乙烯 ( PS)納米珠陣列 ,再用氧等離子體處理以進一步減小納米珠的尺寸從而得到粗糙表面 (圖 18)。在其表面覆蓋 20 nm厚的金膜并用十八硫醇(ODT)進行修飾可以增強其疏水性。通過調整 PS納米珠的直徑 (440190 nm)可以控制表面接觸角的大小 (132 168 )。氧等離子體處理后的超疏水 PS納米珠陣列表面2014/

10、3/28163.3.化學氣相沉積法化學氣相沉積法 原理原理：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導入到一個反應室：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導入到一個反應室內，然后他們相互之間發(fā)生化學反應，形成一種新的材料，內，然后他們相互之間發(fā)生化學反應，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。沉積到晶片表面上?；瘜W氣相沉積法是傳統(tǒng)的制備薄膜的化學氣相沉積法是傳統(tǒng)的制備薄膜的技術。技術。 特點特點：該方法成本較高：該方法成本較高 ，一般用于一些特殊材料的，一般用于一些特殊材料的制備。制備。4.4.靜電紡絲法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不是微小液滴，而是聚合物微小射流

11、，可以運行相當長的距離，最終固化成纖維。特點：電紡絲具有設備簡單 , 可大面積快速制備，工藝可控等特點 ,適用于工業(yè)化生產。但它的一個較大缺點就是表面微結構的可控性與均勻性比較差。2014/3/2817 利用 CVD法得到的陣列碳納米管膜的 SEM照片: ( a,b).蜂房結構 (不同放大倍數 ) , (C).島狀 , (d).柱狀利用化學氣相沉積法在石英基底上制備了各種圖案結構的陣列碳納米管膜, 結果表明 , 水在這些膜表面的接觸角都大于 160 , 滾動角都小于 5 , 納米結構與微米結構在表面的階層排列被認為是產生這種高接觸角、低滾動角的原因。2014/3/2818 江雷等以聚苯乙烯 (

12、 PS)為原料 ,制備了一種具有新穎的多孔微球與納米纖維復合結構的超疏水薄膜，其中多孔微球對薄膜的超疏水性起主要作用 , 而納米纖維則交織成一個三維的網絡骨架 ,“ 捆綁 ” 住多孔微球 , 增強了薄膜的穩(wěn)定性。利用電紡技術得到的復合結構 PS薄膜: ( ac) SEM圖 , ( d) 水滴的形貌圖 (接觸角為 160.4 )2014/3/2819 新型超疏水材料的應用將十分廣泛： 沙漠集水；沙漠集水； 遠洋輪船船底涂料，可以達到防污、防腐的效果；遠洋輪船船底涂料，可以達到防污、防腐的效果； 室外天線上，建筑玻璃，汽車、飛機擋風玻璃上，可以室外天線上，建筑玻璃，汽車、飛機擋風玻璃上，可以防積雪，自清潔；防積雪，自清潔； 冰箱、冷柜等制冷設備的內膽表面上，冰箱、冷柜等制冷設備的內膽表面上，凝聚水、結霜凝聚水、結霜 、結冰現象結冰現象； 天然氣、石油管道內壁表面超疏水分子膜；天然氣、石油管道內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