超疏水原理ppt课件
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超疏水原理
超疏水原理是指一种特殊的表面现象,即当某些表面接触水时,水滴会迅速减小并滚动,甚至完全滚落。
这种现象源于表面微观结构的特殊性质,使得水分子无法在其上停留,从而表现出极强的疏水性。
超疏水原理在许多领域都具有重要的应用价值,例如防水材料、防污涂层、微流体控制等方面。
超疏水表面的微观结构通常具有特殊的形貌,例如微米级的凹凸结构或纳米级的纳米柱结构。
这些结构使得表面具有极低的接触角,使得水滴接触表面时无法充分展开,从而迅速减小并滚动。
此外,超疏水表面还可能通过化学方法对表面进行处理,使得表面具有特殊的化学性质,进一步增强其疏水性能。
超疏水原理在实际应用中具有广泛的应用价值。
例如,在纺织品上应用超疏水原理可以制备出防水透气的功能性面料,使得衣物在保持透气性的同时具有较好的防水性能。
在建筑材料上应用超疏水原理可以制备出自清洁、防污染的涂层,使得建筑物能够长期保持清洁和美观。
在微流体控制领域,超疏水原理可以用于制备微流体通道,实现微流体的快速传输和控制。
此外,超疏水原理还在生物医学领域具有重要的应用。
例如,可以利用超疏水原理制备出具有抗菌性能的医用材料,用于制备医用器械和医用包扎材料。
另外,超疏水原理还可以用于制备出具有自清洁性能的医疗设备表面,减少交叉感染的风险。
总之,超疏水原理是一种重要的表面现象,具有广泛的应用前景。
通过对超疏水原理的深入研究和理解,可以为材料科学、化学工程、生物医学等领域的发展提供重要的支持和推动。
相信随着科学技术的不断进步,超疏水原理必将在更多领域展现出其重要的应用价值。
荷叶效应——超疏⽔性原理荷叶效应——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。
我们在研究固体表面性质的时候通常会研究其湿润性,研究表明湿润性是固体表面的重要性质之一。
一般用接触角来表示固体表面的润湿性,当接触角大于90°的面称为疏水面,接触角大于150°的面称为超疏水面。
日常生活中的荷叶因其表面上的乳突和蜡状物使荷叶表面具有超疏水特性,表现为荷叶的自洁净功能;水黾因其腿部上微米级刚毛上和其上存在着的很多纳米级沟槽,微米刚毛和纳米沟槽的缝隙中能形成空隙,形成的稳定气膜能够阻碍水滴的浸润,表现出超疏水特性,使其能在水上自由行走,而不会沉入水中。
1.超疏水的基本原理(1)接触角液体与固体表面之间的相互作用程度,固体与液体之间形成的夹角即为接触角,接触角的大小由黏附力来决定,黏附力会由固体表面性质不同、液体性质的不同以及固体与液体之间的相互作用不同而形成不同的黏附力,黏附力越大,接触面积也就越大,夹角也就越小,反之,黏附力越小,接触面积就越小,夹角也就越大。
(2)润湿指液体能接触到固体并附着在固体表面的现象。
湿润可以说是固体与液体之间的分子作用力引起的,就是之前提到的黏附力,黏附力体现出固液之间的接触能力。
(3)湿润现象的微观解释若两相相互接触时互不相溶,那么湿润从宏观上就是一种现象。
但从微观上解释可根据界面层的理论。
界面层就是薄层,位于界面附近。
目前人们已知界面层模型有3 种,即Gibbs 分割表面型、Guggenheim 过渡层型与物理界面型。
物理界面层模型:液体与固体接触处存在分子作用半径厚度的液膜,此为液体与固体交界后液相的界面层。
在这个薄层中的分子,一边受到液相分子作用力,即内聚力;而另一边受到固相内部分子作用力,即黏附力。
产生不湿润的根本原因在于内聚力大于黏附力;产生润湿的根本原因在于黏附力大于内聚力。
(4)影响接触角的因素接触角的大小可以看出润湿程度,也可以看出固液之间相互作用的程度,能够判断出黏附力的强弱。
液体和固体的不同,其对应的接触角是有区别的,有些区别还很大。