超疏水表面的制备方法及应用的研究进展 摘要：在材料科学发展日新月异的今天，超疏水表面一直是材料研究的重点， 并在军事、工业、民用方面具有极高的应用前景。而润湿性是决定材料疏水性的 关键所在，如何降低润湿性是提高材料疏水性的主要手段。本文简单介绍了表面 润湿性的基本理论，综述了超疏水表面的制备方法，及其相关应用的研究进展。 关键词：超疏水表面;润湿性;微/纳米结构 1.引言 在自然界中，许多生物都有着特殊的表面结构，而其中植物叶片的表面结构 因其特殊的性质引起了人们极高的兴趣。而在植物叶片中，荷叶叶片上表面的特 殊性质又极为明显，荷叶的表面不均匀且大量地分布着平均直径在5~9微米的乳突，而乳突又是由许多的平均直径在121.1~127.5纳米的纳米分支结构组成。除 此之外，我们还可以发现在荷叶的下一层表面中还存在着纳米级的蜡晶。通过蜡 晶结构与乳突组成的微纳结构，成功地减少了叶面与液体的接触面积。与此同时，通过微纳结构，荷叶也减少了与脏污的接触，便于脏污被带走，这就是荷叶叶片 所表现出的自清洁性。而溯其根本，自清洁性又是超疏水性的一个表现。自然界 中还有很多动植物的表面有超疏水的性质，例如在水面自由移动的水蛭。为了这 些动植物的研究，是人们对于超疏水表面的认识更加深入，这对于制备功能材料 具有很好的意义。 润湿性是影响超疏水性质的关键，是指某种液体在一个平面上的延展，覆盖 的能力。假设有一液面铺展在一平面上，气、液、固三种物质接触于同一点处。 气-液界面的切线与固-液接触面的夹角为θ，称θ为接触角。为了方便判定，通 常以水与固体表面的接触角θ的大小来判断润湿性，并区分亲疏水表面。当θ大 于150?时，该表面被称为超疏水表面；当θ大于90°时，被称为疏水表面；当θ 小于90°时，被称为亲水表面；当θ小于10°时，被称为超亲水表面。其中，90° 作为亲水与疏水的分界。 假设有一理想的平滑均匀平面，没有任何粗糙介质，则表面接触角θ满足杨 氏方程： 图1两种粗糙表面的润湿模型：Wenzel模型和Cassie模型 近年来，由于超疏水表面在日常生活中及工业生产等方面有极高的价值，超 疏水表面的制备及相关应用研究日益增多，本文主要综述超疏水表面的制备方法 与其相关应用。 2超疏水表面的制备方法 固体表面的润湿性主要由两个因素决定：表面的粗糙程度和表面能。目前常 见的制备方法有刻蚀法、模版法、气相沉积法、电纺法、溶胶-凝胶法、机械拉伸、相分离法等等。但以这种方法分类并不能准确而直观的表明其制备方法的本质依据。根据润湿性的影响因素，制备方法可大致分三类：赋予低表面能物质表面适 当的粗糙结构，对粗糙表面进行表面改性以降低表面能和降低表面能同时增加粗 糙程度。 2.1赋予低表面能物质粗糙结构 赋予低表面能物质粗糙结构大致而言，就是在低表面能物质表面构造微观结构，这种方法制备的超疏水表面具有可控性强、稳定性好的性质。
超疏水材料研究进展 摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b)
功 能 高 分 子 学 报Journal of Fu nctional Polym ers Vol.21No.22008年6月 收稿日期:2008-03-10 基金项目:国家自然科学基金(10672197) 作者简介:石 璞(1976-),男,安徽安庆人,讲师,在读博士,研究方向:生物医学材料。E -m ail:s hipu1976@https://www.doczj.com/doc/722012750.html, 通讯联系人:陈 洪,E -mail:ch enh ong cs@https://www.doczj.com/doc/722012750.html, 综 述 超疏水表面的制备方法 石 璞1,3, 陈 洪2, 龚惠青3, 袁志庆1, 李福枝3, 刘跃军3 (1.中南大学粉末冶金研究所,长沙410083; 2.中南林业科技大学,长沙410004; 3.湖南工业大学包装新材料与技术重点实验室,湖南株洲412008) 摘 要: 超疏水表面材料具有防水、防污、可减少流体的粘滞等优良特性,是目前功能材料研究 的热点之一。其中超疏水表面的制备方法是研究的关键点。介绍和评述超疏水表面的制备方法, 对该领域的发展方向进行了展望。 关键词: 超疏水;表面;制备方法 中图分类号: O647 文献标识码: A 文章编号: 1008-9357(2008)02-0230-07 Methods to Prepare Superhydrophobic Surface SH I Pu 1,3, CH EN H ong 2, GONG H u-i qing 3, YUAN Zh-i qing 1, LI Fu -zhi 3, LIU Yue -jun 3 (1.Institute o f Pow der M etallurgy ,Central South U niv ersity ,Chang sha 410083,China; 2.Central South University of Forestry and Technology ,Changsha 410004,China; 3.Key Laboratory of New Material and Technology for Package,Hunan University of Technology ,Zhuzhou 412008,Hunan,China)Abstract: Superhydr ophobic m aterials have received tremendous attention in recent year s because of its special proper ties such as w ater -proof,ant-i po llution,reduction resistance o f flow ing liquid,etc.It beco mes ho tspo t research in functional m aterial field,and the preparation m ethods to acquir e excellent superhydropho bic surface are key to the r esearch.Repr esentative articles in r ecent years about prepar ation methods are review ed in this article.T he prospect of dev elo pments is proposed. Key words: super hy drophobic;surface;preparation methods 自从Onda 等[1]1996年首次报道在实验室合成出人造超疏水表面以来,超疏水表面引起了研究人员的广泛兴趣。总体说来,目前的研究主要集中在以下几个领域:(1)研究自然界中具有超疏水表面的植物和动物,为开发具有新型表面结构的材料提供灵感。高雪峰和江雷[2]、冯琳[3]、郭志光[4~5]等的论文中有详细的描述和精美的电镜照片。(2)使用无机物[6]或在金属表面制备具有超疏水性表面的材料。(3)使用高分子材料制备具有超疏水性的表面。(4)理论研究[7~11],主要是通过构建模型以探讨表面结构状况与接触角或滚 动角的关系。关于超疏水表面的基本理论,金美华的博士论文[38]有详细论述。 超疏水表面一般可以通过两类技术路线来制备:一类是在低表面能的疏水材料表面上构建微米-纳米级粗糙结构;另外一类是用低表面能物质在微米-纳米级粗糙结构上进行修饰处理。其中,制备合适微米-纳米级粗糙结构的方法是相关研究的关键。从制备方法来说,主要有蒸汽诱导相分离法、模板印刷法、电纺法、溶胶-凝胶法、模板挤压法、激光和等离子体刻蚀法、拉伸法、腐蚀法以及其他方法。在此对各种制备方法进行分类评述。 230
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展 摘要随着世界机械化以及工业化的发展，全球的水资源污染逐渐严重，人民群众对于水资源的供应以及淡水资源的处理越发关注，且为水资源处理技术的发展做出了较大贡献。作为水资源净化技术的重要组成部分，油水分离净化技术水平不仅关系着淡水资源的提供质量，而且对于人民群众的身体健康也具有重要影响。基于此，本文将超疏水材料制备及其在油水分离中的应用作为主要研究内容，通过对超疏水材料进行简单阐述，进而对超疏水材料的应用以及其在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。本文旨在为超疏水材料在油水分离中的应用研究提供几点参考性建议，并为水资源的净化处理技术发展提供积极的推动作用。 关键词超疏水材料制备；油水分离；应用研究 前言 由于工业化的发展导致海洋中的水资源污染情况越加恶劣，有大量的油产品以及机溶剂污染流入海洋中，对海洋中的水资源产生了严重破坏，进而为水资源净化技术提出了更高的要求，对人类生存与发展也产生了威胁。基于此种宏观环境，本文对超疏水材料在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。 1 超疏水材料概述 超疏水材料主要是利用其中较为独特的化学结构以及其本身的润湿性能来作为水资源净化技术中的一种使用材料。由于该种材料在材质表面上具有润湿性的特殊原理，并能够作为超疏水材料而应用至油水分离的水资源净化中，其还具有两方面的特征。第一方面，表面为微纳米结构。第二方面，表面具有低表面能的特色。同时，在该种材料的制备过程中还具有成本较低以及制备材料环保的优势。因此，在油水分离的水资源净化中被广泛使用。但在超疏水材料的具体制备中还有耗时周期长的缺点，而该种缺点与实际制备中的优势相比并不对超疏水材料的实际应用构成威胁[1]。 2 超疏水材料的应用 由于超疏水材料在近几年的广泛使用中其本身的特殊性能受到各领域研究人员的关注，进而推动着超疏水材料在多个研究领域以及生活领域被应用。本文将超疏水材料的应用特性总结为以下五个方面。第一方面，自清洁的特性应用。由于超疏水材料本身具有良好的润湿性，在其进行使用的过程中能够对自身的灰尘与脏污进行自行清理。在具体的应用中，将超疏水材料的特性应用在城市高楼的建设中，利用超疏水材料的自清洁特性减少建筑玻璃清洁的次數，降低楼房玻璃清洁的成本，并在一定程度上节约水资源[2]。第二方面，抗冰雪的特性应用。由于在冰天雪地的寒冷地区，电线、航行等方面均会有风雪粘粘，进而导致电力能源的传输问题，并对正常的航行产生困扰。而应用超疏水材料的抗冰雪特性将
中国在超疏水材料研究方面的进展 分子一班 张雷 3013207391 Abstract ： 摘要：具有超疏水性、超双疏性等的微纳复合材料在人们的日常生活和国民生产各个部门都有着广泛的应用前景，因而也引起科学界的广泛关注。由于固体表面的浸润性决定于其表面的化学组成和表面形貌，因此通过改变固体的表面自由能和表面形貌可以实现对固体材料表面浸润性控制。近些年来，这方面的研究吸引了许多科学家和课题组的注意。可以说，超疏水、超双疏材料的制备正成为一个研究的热点问题。本文在查阅有关文献的基础上，分析中国在超疏水、超双疏材料制备方面的进展。 关键词：超疏水、超双疏、表面改性、润湿性
1、背景： 表面润湿性是指液体(通常为水)在固体材料表面的铺展能力。它是固体表面的重要性质之一, 许多物理化学过程，如吸附、润滑、黏合、分散和摩擦等均与表面的润湿性密切相关1。研究表明, 固体表面的润湿性是由其化学组成和微观几何结构共同决的, 定外场如光、电、磁、热等对固体表面的润湿性也有很大的影响2。固体表面的润湿性通常用水滴在其表面上形成的接触角来衡量, 接触角小于9 0°的表面称为亲水表面,大于9 0°的表面称为疏水表面, 而超疏水固体表面是指与水的接触角为1 5 0°以上的表面。 自然界中存在很多超疏水表面, 最典型的如以荷叶为代表的多种植物叶子表面(荷叶效应Lotus-effect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等3。受这些自然界中现象的启发，许多课题组都开展了超疏水材料制备方面的研究。 2、超疏水材料制备方法分类： 2.1 模板法： 江雷课题组组报道了一种以多孔氧化铝为模板制备超疏水材料的方法2。具体是将一定孔径的氧化铝模板覆盖在聚碳酸酯（PC）膜上，然后加热PC膜将其溶化并将其压入模板的孔内，最后除去模板即可得到纳米棒状的阵列结构。将模板制备成圆筒状重复上述过程可以得到大面积的阵列PC纳米棒。
关于超疏水表面的基本介绍及其制备 【摘要】超疏水表面材料具有防水，防污，可减少流体的粘滞等优良特性，是目前功能材料研究的热点之一。其中关于超疏水表面材料性能的研究及其制备是关键，从微观角度对其性能的说明，介绍和评述超疏水的制备方法，并对该领域的发展进行了展望。 【引言】尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。自从Onda等1996年首次报道在实验室合成出人造超疏水表面以来，这引起了研究人员的广泛兴趣。总体来说，目前的研究主要集中以下几个领域：1）研究自然界中具有超疏水表面的植物和动物,为开发具有新型表面结构的材料提供灵感。2）使用无机物或在金属表面制备具有超疏水性表面的材料。3）使用高分子材料制备具有超疏水性的表面。4）理论研究,主要是通过构建模型以探讨表面结构状况与接触角或滚动角的关系。 超疏水表面一般可以通过两类技术路线来制备:一类是在低表面能的疏水材料表面上构建微米纳米级粗糙结构;另外一类是用低表面能物质在微米纳米级粗糙结构上进行修饰处理。其中,制备合适微米纳米级粗糙结构的方法是相关研究的关键。从制备方法来说,主要有蒸汽诱导相分离法、模板印刷法、电纺法、溶胶凝胶法、模板挤压法、激光和等离子体刻蚀法、拉伸法、腐蚀法以及其他方法。在此对各种制备方法进行分类评述。 【超疏水表面特性】根据水在固体表面的浸润程度，固体可以分为亲水性和疏水性，所谓超疏水（憎水）表面一般是指与水的接触角大于150度的表面。对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。只有拥有较大的接触角（CA＞150和较小的滚动角（SA<10)的表面才是真正意义上的超疏水表面。所谓接触角，就是液滴在固体表面形成热力学平衡时所持有的角。通过液体-固体-气体接合点中水珠曲线的终点和固体表面的接触点测定出来。滚动角可作为评价表面浸润性的另一指标，指的是一定质量的液滴在倾斜面上开始滚动的临界角度。滚动角越小，固体表面表现出的疏水性越好。因为地球的重力作用，水滴在倾斜的固体表面有下滑的趋势。随着固体倾斜角的变大，水滴沿斜面方向的下滑分力也在不断增大，当倾斜角增大到某一临界角度时，水滴会从固体表面滑落下来，这时的临界角就是水在此种固体表面的滚动角。滚动角越小，固体表面的超疏水性能越好。 接触角三大理论 杨氏方程（1805年）
浅谈超疏水材料的应用前景 超疏水材料技术是涉及生物、物理、化学以及材料等多学科交叉的前沿技术。21世纪以来，在表面科学、仿生学以及多领域学科的交叉融合推动下，新型超疏水材料层出不穷，其优秀的润湿特性和广泛的应用前景，引起了各国的广泛关注。2017年4月，在美空军研究实验室支持下，密歇根大学开发出新型自愈型超疏水涂层材料。该材料拥有百倍于同类涂料的耐久性，可为舰船、飞机和战车提供兼具耐久性的防水、防结冰、自清洁能力。 1 超疏水材料技术概述 超疏水性是一种特殊的润湿性，一般指水滴在固体表面呈球状，接触角大于150度，滚动角小于10度。材料表面能（材料表面分子比内部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且当低表面能 材料具有微观粗糙结构时，水滴与材料之间会形成一层空气膜，阻碍水对材料表面的润湿，从而形成超疏水状态。 构造超疏水表面有两种方法，一是在疏水材料表面上构建微观粗糙结构，二是用低表面能物质对微观粗糙表面进行改性。 材料的超疏水性越好，水滴在材料表面上越接近球形，与材料的接触面积越小，越易从材料表面滑落。此外，水滴在超疏水材料表面滚落时可带走污染物，使材料表面保持清洁。因此超疏水材料具有防水、防腐蚀、防冰以及防附着等多重特性。 2 超疏水材料技术进展 1多学科交叉融合成为超疏水材料技术发展的主要动力 自然界中的动植物表皮具有特殊的微观结构和特殊的润湿性能，为构造超疏水材料提供了启示，如模拟荷叶结构可以获得超疏水性能、模仿鲨鱼皮结构可以获得水下减阻性能等。仿生材料的研究，为超疏水材料的持续进步提供了动力。2017年5月，德国弗莱堡大学开发出一种具有多层结构的自愈型超疏水涂层。这种超疏水材料表面具有类似蛇褪去外皮的特性，可实现表面受损后超疏水性的自愈，为新型耐久自愈型超疏水材料的研发提供了新思路。、此外，增材制造、材料计算与模拟仿真等技术的应用，大大简化了材料表面微结构的设计、构造与控制难度，使超疏水材料的制备快速精准，结构和性能可控，实现了材料制备工艺、结构、性能 等参量或过程的定量描述，缩短了材料研制周期，降低了研发成本。 2耐久性突破推动超疏水材料迈向实用化 超疏水材料表面的微纳结构是决定其超疏水性的主要因素，而这种微观粗糙结构通常存在强度低、机械强度差、耐磨性差等问题，容易被外力破坏，导致超疏水性的丧失。另外，在一些场合或长期使用中，表面也可能被油性物质污染，导致疏水性变差。耐久性是长时间保持超疏水性的关键，也是制约超疏水材料实际应用的主要因素。提高超疏水材料耐久性的方法有增强材料表面的机械稳定性、提高材料表面的防油污性能、构造自修复超疏水材料等。
神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍，水滴待我如初恋！ 神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍，水滴待我如初恋！一盆水泼向一块金属板，水珠像钢珠一样滚落，金属板仍然干爽；一只船桨浸入水缸，拿出来竟然未带出一滴水珠，就像是从没放进去过一样；一杯水倒在一块经过特殊处理的玻璃板上，水紧紧靠在中央“不越雷池半步”，即使用手搅出来一两滴也立即跑回去……这些违背我们肉眼“常识”的现象，就是“超疏水材料”捣的鬼。这种通过改变材料的表面自由能和表面粗糙度获得的新型材料，灵感来自于自然界中的荷叶。由于其防水、防腐蚀、抗菌的特殊效果，如今已经成为国际热门的研究领域，可以在环保、工业、医疗等各种你想象不到的领域大展身手。一、超疏水简介超疏水技术是一种具有特殊表面性质的新型技术，具有防水、防雾、防雪、防污染、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要特点，在科学研究和生产、生活等诸多领域中有极为广泛的应用前景。超疏水技术对于建筑工业、汽车工业、金属行业等的防腐防锈及防污也很有现实意义。特别是近年来的微电子系统、光电子元器件及纳米科技等高新技术的高速发展，给超疏水涂层的研究和应用于勃勃生机。超疏水材料的研究以诗句“出淤泥而不染，灌清涟而不妖”为契机，以科学的手段向我们解释这一奇特的自然现象，荷花表面覆盖的天然
超疏水薄膜，使得水滴聚集成股，顺势流下，冲刷着荷叶表面的淤泥，营造了出淤泥而不染的状态。因此荷叶在雨后会变得一尘不染，这种现象在生活中很常见，我们称之为“荷叶效应”。二、超疏水现象荷叶效应--超疏水性原理为什么“粗糙”表面能产生超疏水性呢?对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”。而一般疏水表面的接触角仅大于90度。三、自然界中的超疏水现象1999年，Barthlott和Neihuis认为：自清洁的特征是由于粗糙表面上的微米结构的乳突以及表面蜡 状物的存在共通引起的；乳突的平均直径为5~9um。荷叶表面的微/纳米复合结构2002年，江雷等提出微米结构下面还存在纳米结构，二者相结合的阶层结构才是引起表面超疏水的根本原因。单个乳突由平均直径为120nm结构分支组成。超疏水各向异性的水稻叶子水稻叶表面存在滚动的各向异性，水滴更容易沿着平行叶边缘的方向流动。超疏水的蝉翼表面蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，纳米柱的直
超疏水材料研究进展
超疏水材料研究进展 摘要: 本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b) 图1 接触角示意图
揭秘超疏水性表面 哈工大报讯（潘钦敏）[编者的话] 宋代周敦颐在《爱莲说》中写道“予独爱莲之出淤泥而不染”。一千年后的今天，人们已经可以从科学的角度解释莲这种“出淤泥而不染”的特性。与之相关的“仿生超疏水性表面”的研究已成为化学模拟生物体系研究中的一个新领域。本期，化工学院副教授潘钦敏为我们揭开“超疏水性表面”的神秘面纱。 浸润性是固体表面的重要特征之一,它由表面的化学组成和微观形貌共同决定。超亲水和超疏水特性是表面浸润性研究的主要内容。所谓超疏水（憎水）表面一般是指与水的接触角大于150度的表面。人们对超疏水表面的认识，主要来自植物叶——荷叶表面的“自清洁”现象。比如，水珠可以在荷叶的表面滚来滚去，即使在上面浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。荷叶这种出污泥而不染的特性被称作“自清洁”效应。 荷叶效应——超疏水性原理 尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。 为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。 自然界里具有“自清洁”能力的植物除了荷叶之外，还有水稻、芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种“自清洁”效应除了保持表面的清洁外，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。因为即使有病原体到了叶面上，一沾水也就被冲走了。所以象荷花这样的植物即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。 超疏水表面制备方法 人们知道荷叶自清洁效应已经很多年了，但是很长的时间内却无法做出荷叶那样的表面来。通过对自然界中典型的超疏水性表面——荷叶的研究发现，在低表面能的固体表面构建具有特殊几何形状的粗糙结构对超疏水性起重要的作用。基于这些原理，科学家们就开始模仿这种表面。现在，关于超疏水粗糙表面的研制已有相当多的报道。一般来说, 超疏水性表面可以通过两种方法来制备：一种是在疏水材料表面上构建粗糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。比如材料学家们可以通过表面处理仿生制备了碳纳米管阵列、碳纳米纤维、聚合物纳米纤维等多种超疏水性表面。关于超疏水表面的研制方法总结起来主要有：熔融物的固化、刻蚀、化学气相沉积法、阳极氧化法、乳液聚合、相分离法以及模板法等。但是这些方法涉及复杂的化学物质和晶体生长，实验条件比较苛刻，成本高，还不能进行工
超疏水材料的制备及推广 杨文俊 （兰州理工大学兰州730050） 摘要：简述了对超疏水材料表面的特征，介绍了目前比较先进的制备方法以及在日常生活，农业、工业、医学、国防等方面的推广，最后阐述了超疏水材料的市场前景。 关键字：超疏水材料；薄膜；物流；战略；应用 文献标识码：A 落在荷叶上的雨滴形成水珠顺着叶面缓缓滚动而落下, 这种抗水性称为荷叶效应. 这是由于荷叶表面的疏水层呈现纳米级的凹凸 不平, 减少了水珠与叶面的接触面积. 植物叶子表面具有的超疏水 自清洁的特性, 为构建人工疏水表面及设计浸润性可控的界面提供 了灵感, 引起了研究者的极大关注. 近年来, 超疏水性表面的研究已成为比较活跃的研究课题之一, 这对制备新的高性能的功能材料表 面有重要的作用。 目前国家在积极倡导可持续发展，地球的燃料越来越紧缺，在传统燃料输送设备中, 剩余燃料都会造成很大的浪费,我们可以通过利用我们的薄膜技术，在管道内壁涂一层超疏水材料薄膜，这样我们就可以减少资源的浪费，同时也有利于管道的保护。与此相关的应用是使用超疏油表面进行燃料经济性操作, 即在设备内制得超疏油表面, 虽然所用的表面是超疏油性的, 但其制备原理与超疏水表面制 备方法极其类似, 在油料输送管道和储油罐内制备出以低表面能物 质修饰的粗糙表面, 同样可以适用于低表面能油料流体的输送。这一成果具有很高的工业应用价值, 其规模化应用潜力巨大。这仅仅是在能源方面的应用。我们可以扩大超疏水材料的应用，使他能够渗透到我们的各个领域，通过利用超疏水材料薄膜，去改善我们生活中的各
类物品。 如果将超疏水材料推广到诸多领域，将很好地推动超疏水薄膜材料的应用，他将有很好的前途。值得一提的是在交通方面，超疏水材料有很大的推广，无论是在汽车的玻璃还是在电池，发动机都能起到很好的改善。 1、超疏水的理论依据 固体表面的润湿性是由固体的表面化学组成和表面三维微结构决定的,液滴在固体表面的润湿特性常由杨氏方程描述( Young’s Eq. ,Fig.1) 。液滴与固体表面间的接触角大,润湿性差,其疏液体性强。通常有两种方法提高固体表面的水接触角和疏水性。一是通过化学方法降低固体的表面自由能,二是在疏水表面提高固体表面的粗糙度。目前已知的疏水材料有机硅、有机氟材料的表面能低,并且含氟基团的表面能依- CH2- > - CH3 > - CF2 - > C -F2H > - CF3的次序下降。- CF3基团的表面能小至617 mJ/ m2,水接触角最大,通过Dupre公式可计算为11512°[2],长链碳氢基团的自组装有序单层膜的水接触角可达112°。而通常低表面能无序排列的有机硅、有机氟聚合物的水接触角分别为101°、110°[3]。自然界植物荷叶表面的超疏水自清洁现象启发了科学工作者,他们通过观察植物叶表面的微观结构,认为这种自清洁的特征是由纳米与微米双微观粗糙表面结构引起的。Wenzel[4]发展了杨氏方程,提出了固体粗糙表面的接触角方程(Fig. 1) ,引入了粗糙度因子r。提高固体表面粗糙度,对于疏水表面(θ> 90°) 则可大大提高其疏水性,可高达150°以上。Cassie[5]在此基础上考虑到实际中固2液界面中的空气气泡,提出了应用更为广泛的Cassie 模型和方程(Fig. 1) 。由此可见,超疏水涂膜的实现离不开疏水材料和特定的表面粗糙度。 2.超疏水表面的制备方法
超疏水材料的研究进展 2015年5月3日
超疏水材料的研究进展 摘要：超疏水性材料因为它独特的性质，而在很多方面得到了广泛的应用。近年来，许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。通过研究这些表面微观结构，人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面，从而更好地满足工业中实际应用的需要。该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象，重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。最后，对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水、仿生、润湿、功能化表面 自然界中，经亿万年的自然选择，许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能，比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。一直以来，这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们，尤其是近几十年，仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。因此，对超疏水材料进行总结和展望，对这种材料的发展有重要的意义。 1超疏水原理 超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解，即指难以湿润的表面，固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一，不仅受到固体表面粗糙度的影响，还受固体表面化学成分的影响，我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。接触角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。当θ=0°时，所表现为完全湿润；当θ<90°时，表面为可湿润，也叫做亲液表面；当θ>90°时，表面则为不湿润的疏离表面；当θ=180°时，则为完全不湿润。一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。 接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标，但并不是唯一指标，在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。但是如果不断增加或减小固体
十八烷基硫醇 无水乙二胺, 化学纯(上海凌峰化学试剂有限公 司); 锌片, 99.99%高纯试剂(上海龙昕科技发展有限 公司); 氟硅烷CF3(CH2)8CH2Si(OCH3)3(FAS), 分析纯 (日本Chisso 公司). 铜片在乙醇溶解下的0．1M的十四烷酸溶液中沉积10天形成接触角为 1550的超疏水膜。对比超疏水膜和同结构普通膜发现，超疏水膜表面为花瓣状形貌，这种形貌极有利于截留大量空气，对基体起到保护作用。 1 实验部分 1.1 薄膜的制备 把厚度为0.25 mm 锌片(分析纯, 纯度99.99%,天津市风船化学试剂科技有限公司)切成10 mm×10 mm 的锌片, 分别用无水乙醇(分析纯, 纯度99.7%, 烟台三和化学试剂有限公司)和去离子水(实验室自制) 超声清洗15 min, 用氮气吹干后备用.将清洗后的锌片浸泡在4vol%的N, N-二甲基甲酰胺(DMF, 分析纯, 纯度99.5%, 上海埃彼化学试剂有限公司)溶液中, 65℃下恒温保持24 h. 取出后用去离子水和无水乙醇洗涤, 氮气吹干.将DMF 处理后的锌片浸泡在硬脂酸(分析纯,天津市瑞金特化学品有限公司) 的乙醇溶液中, 浓度为0.001 mol/L, 在室温下静置一段时间后取出,用无水乙醇彻底清洗后氮气吹干. 2. 1 实验材料与仪器 铝合金( 牌号为LY12, 成份: 铜3. 8% , 镁1. 2%,锰0. 3% , 锌0. 3%, 硅0. 5% , 铁0. 5% , 兰州中科凯特公司) ; 乙基三氯硅烷( 瑞士, Fluka AG, Buchs SG) ; 甲苯( 分析纯, 天津化学试剂有限公司) ; 无水乙醇( 分析纯, 天津化学试剂有限公司) ; 丙酮( 分析纯, 天津化学试剂有限公司) ; 氟化氢( 分析纯, 北京双环化学试剂厂) ; 盐酸( 分析纯, 白银良友化学试剂有限公司) ; 氢氧化钠( 分析纯, 天
仿生超疏水表面的制备技术及其进展 摘要：仿生超疏水表面具有防水、自清洁等优良特性。自然界中存在许多无污染、自清洁 的动植物表面，如超疏水的荷叶表面、超疏水各向异性的水稻叶表面、超疏水的暗翼表面等。影响材料表面润湿性的主要因素有材料表面能、表面粗糙度和表面微一纳结构。超疏水表面的自清洁功能源自于表面形貌与低表面能物质的共同作用，可以通过两类技术路线来制备超疏水表面：控制材料表面能和修饰微细结构表面。 关键词：润湿性；仿生；超疏水；接触角 超疏水(Super—hydrophobic)是指表面上水的表观接触角超过150。的一种特殊表面现象。近年来，超疏水表面引起了人们极大的关注，它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等领域中有着广泛的应用 前景[ ]。最典型的例子就是自然界中的荷叶表面，水滴在叶面上可以自由滚动．能够将附着在叶面上的灰尘等污染物带走。从而使表面保持清洁。 1 基本原理 润湿性是材料表面的重要特征之一。描述润湿性的指标为与水的接触角0，接触角小于9O。为亲水表面，接触角大于90。为疏水表面，接触角大于150。则称为超疏水表面。对于光滑平整的理想固体表面，水滴在其表面上的形状是由固体、液体和气体三相接触线的界面张力来决定的，水滴接触角的大小可以用经典杨氏方程来表示：cos ：Lv 其中，、Ts 、分别是固一气、固一液和液一气界面的表面张力。对于粗糙表面．Wenzel方程[21认为水滴粗糙表面完全浸润，其液滴接触角为：cosO~=FcosO式中，r为表面粗糙度，即实际表面积与面投影面积之比值。根据Wenzel方程，对于疏水表面，增加表面粗糙度，液滴的接触角增大。Wenzel方程揭示了粗糙表面的表观接触角与本征接触角间的关系。当固体表面由不同种类化学物质促成时，Cassie~zJ进一步拓展了Wenzel的上述处理。他认为水滴在粗糙表面接触在两种界面：水滴与固体界面以及由于毛细现象水滴无法进入微孔而形成空气垫从而形成的滴与空气垫界面，并认为水滴与空气垫的接触角为180。，因此，提出粗糙表面的水滴的接触角为： COS0r=f,cosOl+ficos02 式中，、分别为粗糙表面接触面中液固界面的面分数与气固界面的面积分数，． =1。从上述模型可知。制备具有特殊结构的表面可以提高面的接触角。 2 天然的超疏水生物表面 自然界中存在许多无污染、自清洁的动植物表面。如荷叶、水稻、芋头叶、蝴蝶、水黾脚等表面。 2．1 超疏水的荷叶表面 在对生物表面特殊浸润性的研究中，荷叶表面的超疏水和自清洁效应最早被人所熟知。水滴在荷叶表面接触角可达165。，倾斜2。，水滴即可在表面滚动，以防止由于水的覆盖而抑植物的蒸腾作用与光合作用f4151。荷叶表面的超疏水性能来自于两个原因：荷叶表面的蜡物和表面的特殊结构，荷叶表面 仿生超疏水表面的制备技术及其进展 有序分布着平均直径为5～9txm的乳突，并且每个乳突表面分布有直径为124nm的绒毛，见 1(a)，荷叶表面的特殊结构和低表面能的蜡质物使得荷叶表面具有超疏水功能与自清洁功能。
摘要：近年来,水材料展示了其特有的优势,响[1]。在本文中,重要的意义。 关键词：超疏水;材料;纳米材料 1.引言 查阅相关文献，对仿生超疏水结构的研究。通过对生物体构的研究，表面构建超疏水膜的研究，材料更好地结合。 2.超疏水的机理 铺展能力，早在古代，濯清涟而不妖”这样的美好诗句。清洁效应引起了广泛的关注。接触角小于90触角小于5°，则认为其超亲水，固体的表面自由能越大，的表面张力都在100 mN/m 其的表面自由能与液体大致相当，约在人们提出，在理想的固体()(σg s =- 式中σ(s-g)、σ(s-l)和σ(l-g)：θ0图 扬氏方程是一个理想化的模型。
图2 层层组装法制超疏水材料 溶液浸泡法 通过控制金属在刻蚀剂中的浸泡时间，可以得到粗糙的金属表面。将金属如铜、 硝酸和双氧水的混合溶液刻蚀后，在表面上出现了粗糙不平的结构，经过疏水试剂的接枝后表面呈现超疏水的性质，刻蚀后的表面结构如图3所示。而对这些材料的稳定性进行了一系列的表征，发现超疏水材料在腐蚀环境中也展现了良好的稳定性[5]。
图 3.3电化学方法 [6]与水的接触角为152何修饰即可实现超疏水。 图3.4模板法 通过揭起软刻蚀的方法，印在荷叶的表面，PDMS 整的BP-AZ-CA 3.5气相沉积法 利用化学气相沉积(CVD)的阵列碳纳米管膜，如图6所示动角都小于5动角的主要原因。
图6 气相沉积法制备超疏水材料 4.对制备超疏水材料的建议和想法 超疏水表面的制备方法有很多种，现今有这么两种：第一种是在超疏水材料的表面构筑粗糙的微纳米级别的结构，即我们之前所说的传统制备方法；第二种则是对表面进行化学改性，在表面形成具有低表面能的纳米结构。由于之前做过有关功能化化学转化膜对于防腐于是我猜想，同样可以用在超疏水材料膜上接上官能团的方法， 进行改性。通过检测超疏水材料上已有的自由基，选择另一端可与基底连接的合适的偶联剂添加，一端与超疏水材料上的基团连接，形成双面都功能化的疏水层基本结构。 4.结论
NANCHANG UNIVERSITY 课程论文 课程：微机电系统 学生姓名： 学号： 课程教师：
荷叶表面超疏水性的研究及仿生 （南昌大学，机电工程学院，江西南昌330031）引言：人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。在化学模拟生物体系的研究中，超疏水性表面是近年来比较活跃的领域之一。研究超疏水性表面对深入认识自然界中具有疏水性植物和设计新的高效纳米薄膜具有重要的作用。同时它在工业生产和人们的日常生活中有着极其广阔的应用前景。例如，它可以用来防雪、防污染、防腐、抗氧化以及防止电流传导和自净等。 本文中关于超疏水表面微观形貌与润湿性能的关系进行研究，从微观角度对其性能的说明，介绍和评述构造微观形貌的构造或加工方法，并对该领域的发展进行了展望。 关键词：超疏水性；纳米结构；自清洁；仿生 Preparation and Research of Super Hydrophobic Surfaces （School of Mechatronics Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031,China） Abstract：Super hydrophobic surfaces show good performance in self-cleaning and antifouling due to their micro and nano structures. Inspired by the similar structures in nature , such as lotus leaves , and butterfly wings , the focus of research in super hydrophobic materials is not only to mimic biological structures，but also to generate materials with flexibility in both structural design and material composition. The goal is to develop super hydrophobic materials that are robust and tolerant to high temperature or harsh environment. Such materials have broad applications in national defense, industrial process, agriculture, and health care. At the same time, it has a very wide application prospect in industrial production and people's daily life. For example, it can be used to prevent snow, pollution prevention, anti-corrosion and prevent the current conduction and self purification. This paper will introduce the principle of super hydrophobic material and the synthesis of such materials. Recent research and future application of such materials will also he discussed in the paper. Key words: super hydrophobic；nano structure；self-cleaning；bioinspired