自然界超疏水现象及应用浅析
老子在道德经里面说：“人法地，地法天，天法道，地法自然”，意思就是说万事万物的运行法则都是遵守自然规律，事物的一切都蕴含于自然中。自然界中的生命已通过了近四十多亿年的进化完成了智能操纵的所有过程，无论是从单细胞生物演化为复杂的多细胞动物，还是从猿到人，自然无不向我们展示着它惊天的伟力。大自然中的很多现象由于它们自身的特质都足以引起人们的关注和学习。而自然界中荷叶表面的自洁和水黾浮水所体现的超疏水现象收到了人们的广泛关注，超疏水表面也已经成为表面研究领域的一个热点。
一．表面润湿基本原理
1.润湿性及接触角
润湿性是指固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象，固体表面的润湿性可以用接触角θ（coniact angle ）的大小来衡量，接触角是指在固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角（如图1所示）。
图1: 固体表面液滴的接触角示意图
接触角越小，表面润湿性能越好。通常将90°定为润湿与否的标准，将接触角大于90°的表面称疏水表面，小于90°的表面称亲水表面，超疏水表面则是指与水的接触角大于150°的表面。
2. 表面润湿性的影响因素
表面的润湿性的好坏一般由接触角θ衡量，1805年Thomas young 首先提出，在理想的光滑均匀的固体表面上，平衡接触角与三个界面张力之间有如下关系:
γθcos =（SV γ-SL γ）/LV γ
其中，γθ是接触角，SV γ、SL γ、LV γ分别为体系中固-气、固-液、液-气界
面张力。这是因为液滴在理想光滑表面上的接触角主要由固体的表面自由能决定，通常是固-液-气三相接触线上三种不同表面张力共同作用的结果，三种表面张力在界面方向达到力学平衡。
应当指出，杨氏方程的应用条件是理想表面，即指固体表面是组成均匀、平滑、不变形(在液体表面张力的垂直分量的作用下)和各向同性的。然而实际上这种理想平面是不可能存在的，因此在考察表面的润湿性时，需要考虑表面的粗糙度。Wenzel 和Cassie 两人分别对杨氏方程进行了拓展，将液滴在固体表面接触角和表面粗糙度进行了关联，使它们的适用范围更接近真实的表面。
任何固体表面都不可能绝对光滑，对于实际的固体表面，必须考虑表面粗糙度对其润湿能力的影响，早在1936年Wenzel 就认识到这一点，他认为当液滴和固体表面接触时，液体完全充满了粗糙表面上的缝隙（Wenzel 模型），它们之间的接触仅为固-液接触（又称为“湿接触”），如图2.b 所示，Wenzel 对杨氏方程做了如下的修正:
W θcos =（SV γ-SL γ）/LV γ=r θcos
此式即为著名的Wenzel 方程，式中r 定义为粗糙度，是指实际的固-液界面接触面积与表观固-液界面接触面积之比，W θ是Wenzel 状态下粗糙表面的接触
角，θ为相应的理想光滑平面的接触角，又叫做本征接触角或者固有接触角（inirinsic contact angle ）。Wenzel 方程表明，粗糙表面的存在使得实际上固-液的接触面要大于表观几何上观察到的面积，于是在几何上增强了疏水性（或亲水性）。即: θ<90°时，W θ随着表面粗糙度的增加而降低，表面变得更亲水; θ>90°
时W θ随着表面粗糙度的增加而变大，表面变得更疏水。
1944年，Cassie 与Baxter 在研究了自然界植物及鸟类羽毛的防水性后，对超疏水表面提出了一种不同于Wenzel 模型的新模型Cassie 模型。他们认为在粗糙表面上的接触是一种复合接触。假设固体表面是由两种物质1和2组成，这两种不同成分的表面是以极小块的形式均匀分布在表面上的（每一小块的面积都远小于液滴的尺寸）。它们的本征接触角分别用θ1和θ2表示，在单位面积上所占的表面积分数分别为f 1和f 2（f 1 + f 2 = 1），这样Cassie 接触模型可以用以下公式进行描述:
Cosθc = f 1cosθ1 + f 2cosθ2
此式即Cassie - Baxter 方程，也适用于具有多孔的物质或者粗糙至能截留空气的表面，此时表面由固体物质及空气组成。当表面结构疏水性较强时，Cassie 及Baxter 认为，在疏水表面上的液滴并不能填满粗糙表面上的凹槽，在液滴下将有截留的空气存在，于是表观上的固-液接触面其实是由固体和气体共同组成（见图2.c ），此时f 1为固体部分的表观面积分数，θ1即为相应的理想光滑平面的接触角θ，f 2为截留空气部分的表观面积分数（f 1 = 1 – f 2），由于空气对水的接触角θ2 = 180°，因此上式可以变为:
Cosθc = f1cosθ1 + f2 - 1
θc是Cassie状态下粗糙表面的接触角。当f1 = 1，即与液体接触的全部部分都是固体表面，在公式中再引入粗糙度系数r f，此时Cassie公式即变为Wenzel 公式。
当把Cassie公式和Wenzel公式联立，解出接触角θ，即为Wenzel-Cassie润湿模型过渡状态（图2.d）所得出的公式。
图2：(a)杨氏模型(b)Wenzel模型
(c)Cassie模型(d)Wenzel-Cassie润湿模型过渡状态
二．自然界的超疏水现象
科研人员研究发现荷花叶子的表面覆盖有长链烯烃类的低表面能的物质，并且具有粗糙的表面结构。开始科研人员认为这种现象是由于荷叶表面上覆盖的白色蜡状物质决定的，用肉眼就能观察的到的一层蜡状突起物质，能用手感觉得到。用扫描电子显微镜观察，可以看到其表面的结构是丝状或绒状，且在荷叶的上面和下面都有分散。水珠在荷叶的反面无法形成球状自由的滚动，只能留在荷叶的中部。用扫描电子显微镜观察，能看到荷花叶子的表面具有很多微小的突起，这种微小的突起的尺寸大概在微米级左右，在这种微小的微米级的突起上面，又覆盖了不少纳米尺寸的凸起（如图3）。由于这种粗糙结构的存在导致我们用手触摸荷花叶子时有凹凸不平的感觉。这些微小的突起的平均大直径为10微米左右。在荷叶的微米级结构上的小的凸起的直径在200纳米上下。在荷叶粗糙的表面上，存在着精细的微米加纳米的双重结构。一层结构就是荷叶表面的微米级的乳凸，直径在11微米左右，高度在13微米左右，然后突起上面还有一个表皮分泌的蜡状物质，在扫描电子显微镜的观察下，能看到它类似于毛丝或者是绒状的表面形貌。就是由于它们表面特殊的微纳米微观结构致使气膜产生，存在于固体和液体的界面处，从而导致水滴不能浸润而达到超疏水效果。微观几何结构以及具有一定疏水性的化学组成，其表面与水滴的接触角可以达到160°以上，水滴在
这样的表面很容易滚落，这种特殊的润湿现象被称为荷叶效应。
同样，水黾能够浮水也是因为水黾的腿的表面（图4）存在类似于荷叶表面的微纳结构，此外自然界中的稻叶、蝴蝶、蝉、蜻蜓等都表现出超疏水现象。
图3：荷叶表面的扫描电镜照片，其表面微纳米的二级阶层结构
图4：水黾腿部结构的扫描电镜图，其结构亦是微纳米的二级阶层结构
三．超疏水表面的应用
1.自清洁涂层
当材料表面暴露在户外时，因静电作用，往往容易吸附上无机污渍，如灰尘等。对于普通材料表面，液体在表面滑落时可以把部分污渍和灰尘颗粒卷入液体内部，但由于表面的疏水性较差，液体和材料表面具有较大的接触面，使得大部分污渍和灰尘颗粒重新沉积在材料表面。而超疏水表面的自清洁效应主要是由超疏水性能和低表面粘滞性能共同作用使得液体在材料表面具有很大的接触角和很小的接触面，液体从表面快速滚落时会将表面的污渍和灰尘颗粒快速带离表面，从而实现材料表面的自清洁。
2.油水分离
由于水和油的表面张力差别很大，很多超疏水表面同时兼具超疏水和超亲油
性能，因而可用于实现油水分离。将具有低表面能的聚四氟乙烯（PTFE）喷涂在金属铜网的表面，利用胶粘剂提高聚四氟乙烯与铜网表面的粘附能力，制得的网兼有超疏水和超亲油性能（图5）。该超疏水亲油网可有效实现油水分离：由于表面的强疏水性使水滴无法穿过金属网孔，而超亲油性却使得油滴能在极短的时间（240ms）内穿过滤网。
图5：油滴在超疏水铜网表面迅速铺展并透过
3.超疏水纤维及纺织物
超疏水纺织物不仅要具良好的超疏水性能，同时还需要有良好的生物相容性、无毒害性和感官舒适性。
4.流体减阻
超疏水材料由于其表面具有强疏水性能，在液相和固相接触面上生成一薄层气泡层，从而极大地降低材料表面的固/液相界面作用力。他们在实验中让液滴从从普通工程材料表面流入具有超疏水表面的部件中，发现液滴在超疏水部件中的流动速度显著增大，这表明液滴在超疏水表面上受到的阻力较低。
5.其它
此外，超疏水材料还能被应用于金属表面，延缓金属的腐蚀；应用于汽车玻璃、眼镜、电子器件的光学镜头等光学部件上，提高光学部件的防反射性能；用于微流体控制领域可以实现对微流体流动的定向操控，以降低微流系统的工作能耗；用于室外天线上，可以防积雪，从而保证信号的完好接收；用于微量注射器针尖上，可以消除昂贵药品在针尖上的粘滞带来的针尖污染问题；用于电池系统，可以大大提高电池的工作寿命和工作效率。近年来，超疏水表面因其广泛的应用前景而备受关注，已经成为界面材料研究中的一个重要研究领域。
目录 ＜?引言0超疏水的基本原理o超疏水材料的制备方法?超疏水材料的应用0超疏水表面材料存在的问题及发展趋势
在大自然中有着许多值得人类探索和学习的现象，人们 轟类现象加以研究并运用到改善生产和生活中，统称为仿许多动植物的外表所具有的自清洁功能的现象，具有这类现象的最典型的例子就是出淤泥而不染的荷叶表面。自然界中许多动植物都具有这类功能，诸如鸟类的羽毛、水邑(min)的腿部以及蝴蝶的翅膀等。在宏观上这些组织或者器官均表现出水的极难浸润与挂壁。其原因在于它们的表面具有超疏水性的组成与结构，因此这类材料被称为超疏水性新料。 超疏水表面在日常生活用品、公共建筑、乃至国
防航空等方面有着广泛的应用。另一方面，作为一种典型的界面现象，表面浸润性在界面化学、物理学、材料学、界面结构设计以及其它交叉学科的基础研究中也有极为重要的研究价值。由于其重要性，各行业、各领域的专家及科研人员都开始加入到这方面的研究 黯蠶闖爨輕驾繳勰成杲应用到改善
目前，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90。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5。，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90°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150°，滚动接触角小于10°,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150。,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。我们研究的重点是超疏水表面。
检验?科技Inspection & Sicence 1 引言 超疏水纺织品作为自清洁纺织品中的一类，它是通过各类拒水拒油整理剂对纺织品进行功能后整理，改变纤维的表面性能，使纤维的表面张力低于水、油的表面张力，使得水滴以及油污无法在织物表面铺展且可以轻易抖落，而且水滴在滑落的过程中还可带走织物表面原有的灰尘，从而达到纺织品自清洁的目的。目前常用的是含氟类拒水拒油整理剂。 关于超疏水纺织品，目前评价其抵抗液体污物润湿性能的标准主要有GB/T 4745—1997《纺织织物表面抗湿性测定沾水试验》[1]、GB/T 19977—2005《纺织品拒油性抗碳氢化合物试验》[2]及FZ/T 24012—2010《拒水、拒油、抗污羊绒针织品》附录A[3]，其中拒油性及抗污性测试过程类似，均采取滴加液滴、评级的形式，而沾水试验则采取喷淋、评级的形式，这些标准中的测试方法虽然可以评价纺织品抵抗相应液滴润湿的能力，但是无法直观体现超疏水自清洁纺织品在液滴滑落过程中的沾污程度以及水滴滑落过程中带走织物表面原有污物的能力，本文通过自建测试标准体系对这一问题进行系统研究。 2 试验 2.1 试样 试验中选取了10个试样进行测试，其详细参数详见表1。 表1 试验试样的参数 2.2 试剂 三级水、食用醋、玉米油、炭黑（粒径小于40μm）、GB/T 19977—2005《纺织品拒油性抗碳氢化合物试验》中使用的标准油试液。 2.3 自建测试标准体系 针对现有超疏水纺织品测试标准的不足，为了能够评价自清洁纺织品的自清洁性能，经参考相关纺织品测试标准，自建测试标准体系[4]如下： 2.3.1 织物未经炭黑沾污处理 参照GB/T 4745—1997，用试样夹持器夹紧试样，放 超疏水纺织品自清洁性能测试方法的研究Study on the Self-Cleaning Performance Testing Method Of Super-Hydrophobic Textiles 文/张清山 摘要： 本文运用炭黑的沾污性能，自建测试标准体系，应用于超疏水纺织品的自清洁性能的测定。 通过测试10种试样的沾水、拒油、抗污性能，以及利用自建测试标准体系测试其自清洁等级，发 现超疏水织物的自清洁性能与其拒水、拒油、抗污性能具有直接的关系，同时证明自建测试标准 体系可以很恰当地、直观地表征超疏水纺织品的自清洁性能。 关键词：超疏水纺织品；自清洁性能；自建测试标准体系 80中国纤检 2013年 5月（下）
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
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
超疏水材料织物的应用与发展 【摘要】近年来,由于超疏水表面在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用,有关超疏水表面的研究引起了极大的关注。本文主要介绍了超疏水材料的基本原理及其在织物上的应用和发展。 关键词超疏水；织物；应用 Super Hydrophobic material fabric application and development Abstract In recent years , as a result of super hydrophobic surface in self-cleaning coating ,microfluidic systems and biological compatibility and other aspects of the potential application of super hydrophobic surface ,related research hasaroused great concern .this paper mainly introduces the basic principle of super hydrophobic material and its application on fabric and development. Key words super hydrophobic; fabric; application 一、自然界中的超疏水现象 几十年的进化赋予了自然界生灵近乎完美的构造，超疏水现象广泛存在于自然界中。自然界中的生物吸引了学者的广泛关注，其中荷叶便是受关注最高的一种。 早在我国宋朝年间，周敦颐便写下了“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”的千古佳句，这描述的就是荷叶的表面超疏水性能。当我们仔细观察荷叶时，会发现水滴在荷叶上还保持者滴落的样子，就像一粒珍珠，晶莹剔透，非常美丽。而且，水滴很难稳定地在荷叶表面停留，所以只要稍微倾斜和振动，水滴瞬间便会滑落。荷叶表面具有自清洁性能，有非常强的超疏水效果，在电子显微镜下可观察到荷叶表面存在着微米和纳米级的双微观结构 ,即乳突形成的表面微米结构和蜡晶体形成的纳米结构 ,乳突的直径为 5～15μm ,蜡晶体特征尺度为20～500nm。微米结构的排列影响其他物体在其表面的运动趋势,纳米结构则大大提高了荷叶表面与其他物体表面的接触角,两种结构的结合可有效地降低其他物体在其表面的滚动角。具有独特阶层结构荷叶的超疏水表面减小了与水珠和脏物颗粒表面的接触面积,使脏物颗粒不容易粘附在荷叶表面,而是被水珠吸附卷走,从而滚出叶面。这就是荷花效应的秘密所在。事实证明,基于荷花效应的超疏水仿生功能表面已在涂料、薄膜、纤维等宏观领域得到了应用 ,并展现了极大的应用价值。 另外，水稻叶、芋头叶的表面也具有超疏水自清洁性能。自然界中的植物如此，动物也是如此。蝉翼的表面因为存在着均匀分布的纳米柱状物质而具有超疏水特性；水由于腿部的微米与纳米相结合的结构而能在水中快速滑行而不被润湿；蚊子的眼睛由于特殊的粗糙结构而具有超防水和防雾性能等等。 二、疏水基本原理 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。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。
评 述 第49卷 第17期 2004年9月 表面微细结构制备超疏水表面 郑黎俊 乌学东* 楼 增 吴 旦 (上海交通大学化学化工学院, 上海 200240. * 联系人, E-mail: xdwu@https://www.doczj.com/doc/ed5776867.html, ) 摘要 超疏水是指固体表面上水的表观接触角超过150?的一种特殊表面现象, 本文从热力学角度评述了导致超疏水状态的两种理论模型: Wenzel 模型和Cassie 模型, 讨论了表面微细结构对超疏水状态的影响以及Wenzel 和Cassie 两种状态之间的内在联系. Wenzel 和Cassie 是两种可以同时共存的超疏水状态, 在一定条件下可以实现从Cassie 到Wenzel 状态的不可逆转变, 而这两者在接触角滞后中表现出截然不同的性质. 概括和总结了通过设计表面微细结构来达到超疏水表面的制备策略, 并对超疏水表面在现代工程领域内的应用前景作了展望. 关键词 微细结构表面 自洁表面 接触角 超疏水性 粗糙度 表面润湿是固体表面的重要特征之一, 也是最为常见的一类界面现象, 它不仅直接影响自然界中动、植物的种种生命活动, 而且在人类的日常生活与工农业生产中也起着重要的作用. 润湿性可以用表面上水的接触角来衡量, 通常将接触角小于90?时的固体表面称亲水表面(hydrophilic surface), 大于90?称疏水表面(hydrophobic surface). 近年来, 随着微纳米科学技术的不断发展, 以及越来越多的行业对特殊表面性能材料的迫切需求, 人们对微观结构在生命科学和材料科学中的应用有了更多的认识, 对于固体表面微细结构与润湿性之间的关系也有了更深入的理解[1,2]. 对润湿性可控表面研究的重大进步, 使得制备无污染、自清洁表面的梦想成为了现实[3]. 自洁表面一般可通过制备超亲水或超疏水表面两种途径制得: Wang 等[4]利用紫外光诱导产生的接触角接近0?的超亲水TiO 2表面, 这种表面材料已经成功地被用作防雾及自洁的透明涂层[5], 其机理为液滴在高能表面上铺展开形成液膜, 然后通过液膜流动, 夹带表面污物运动而起到自洁的功能; 而科学家在对动植物表面 的研究中发现[6], 自然界中通过形成超疏水表面来达到自洁功能的现象更为普遍, 最典型的如以莲叶为代表的多种植物叶子的表面[7](莲叶效应 Lotus- ef-fect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等等, 这是大自然对我们的暗示. 通过观察和研究发现, 此类表面上除了具有疏水的化学组分外, 更重要的是在微观尺度上具有微细的粗糙结构. 如图1所示, 电子显微镜下, 荷叶表面具有双层微观结构, 即由微米尺度的细胞和其上的纳米尺度蜡状晶体两部分组成; 蝶类翅膀上的粉末由100 μm 左右的扁平囊状物组成, 囊状物由无数对称的几丁质(chitin)组成的角质层构成, 其表面并不光洁, 这就是蝴蝶常具有色彩斑斓的结构色以及较好的疏水性的原因[8]; 水鸟类羽毛也具有微米或亚微米尺度的致密排列, 同时具有较好的 透气性和疏水性. 固体表面的润湿性由其化学组成和微观几何结构共同决定. 众所周知, 润湿性能主要受固体表面化学组成的影响, 固体表面自由能σSG 越大, 就越容易被一些液体所润湿, 反之亦然. 所以寻求和制备高表面自由能或低表面自由能的固体表面是制备超亲水 图1 (a) 荷叶表面的双层结构; (b) 蝴蝶鳞片的排列以及鳞片表面的微观结构; (c) 羽毛的微观结构 https://www.doczj.com/doc/ed5776867.html, 1691
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
自清洁超疏水涂层的研究 摘要：本文综述了具有自清洁超疏水涂层的研究进展，介绍了实现自清洁目的的涂层所要具备的超疏水条件，并对超疏水的理论模型进行了综述。此外，介绍了几种自清洁超疏水涂层的类型，如：“仿生荷叶”型、有机硅型、有机氟型、有机氟硅型。 关键词：自清洁超疏水理论模型 一、前言 自清洁涂层是能够不通过人工，而是自身可以通过外部环境保持洁净的表面。例如，阳光的照射、风的作用以及雨水的冲洗。此外，当水在这固体表面上表现出很明显的疏水性，水滴和涂层表面的接触角大于150°，并且滞后角不超过10°的涂层叫做超疏水涂层。 二、超疏水的理论模型 对大自然中的超疏水表面研究后发现，表面能达到超疏水的两个条件，一是低的表面能，二是表面有粗糙的结构。这里，简要介绍超疏水的理论模型。 1 Wenzel 模型 在1936年，通过热力学定律，Wenzel计算出了液体和不平整表面相接触时产生的接触角，以及液滴和平整表面接触时所产生的接触角之间的关系[1]。 可以有效地运用仿生的方法来在表面构建粗糙度，Woo Kyung Cho和他的团队[3]通过将有机硅水解，然后通过有低表面性质的氟硅进行改性。从而制备得到了有一定粗糙度的超疏水涂层。经过测定发现，水滴在涂层表面的接触角达到了160°以上，并且滞后角为2.4°，这里的粗糙度主要是由于F-的作用。另有团队[4]将γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APS）添加在纳米级的SiO2溶胶中，反应之后，在基材表面经过浸渍提拉法涂层。干燥后在SEM下能看到有微米级的颗粒团聚在一起，这和荷叶表面的结构十分的相似，如此所得的涂层水接触角能够达到156°，滞后角在3°以下，而且在整个过程中的稳定性好，能够在工业上进行推广。 现如今，欧美地区的各国以及我国香港等很多企业都开发出了此类涂料或助剂。此类先进的研究和新的产品对今后自洁领域的进一步扩大有很大的帮助。而基于这一理念的涂层仍是研究的热点。 2 基于超疏水理论的自清洁涂层 在超疏水表面上的水滴能自动收缩成球状，使得其与表面的接触面积在很大程度上减小。如果污染物的表面能高于涂层的表面能，这样，污染物想要附着在
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)
超疏水材料的应用前景 近年来，超疏水材料以其优越的性能，超强的疏水能力，在家电行业的应用前景越来越广泛，引起了该领域专家的极大关注。本文总结归纳了超疏水材料的疏水机理和研究现状。最后，对超疏水材料在家电行业的发展前景进行了展望。 落在荷叶上的雨滴不能安稳地停留在荷叶表面，而是缩聚成大大小小的水珠并滚落下来，水珠在滚动的过程中会带走叶片表面的灰尘。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”。因此，科研工作者从中获得灵感和启迪，对超疏水表面展开大量的研究。 近年来，有关超疏水表面的制备及其性能方面的研究，成为了材料科学领域的关注热点，发展极其迅速。超疏水材料以其优越的性能，超强的疏水能力，在家电行业中有着越来越广泛的应用前景。 1 疏水机理 1．1 超疏水表面的特征 自然界中的很多植物叶片，如荷叶、粽叶、水稻叶、花生叶等，都具有超疏水能力。通过扫描电镜观察，这些叶片的表面并不光滑，而是分布着很多微纳米凸起。直径约为125 nm的纳米枝状结构分布于直径约为7 μm 的微米级的乳突结构上，形成分级构造。同时，叶面还覆盖有一薄层蜡状物，其表面能很低。当雨水落在叶片表面时，凸起间隙中的空气会被锁定，雨水与叶面之间形成一层薄空气层，这样雨水只与凸起尖端形成点接触，表面黏附力很弱。因此水在表面张力作用下可缩聚成球状，并能在叶片表面随意滚动。而灰尘与叶片也为点接触，表面黏附力很小，很容易被水珠带走。在分级构造和蜡状物的联合作用下，叶片得以实现超疏水性和自清洁功效。除了植物之外，自然界中的许多动物体表面也具有很强的疏水和自清洁功能，如鸭子羽
毛、蝴蝶翅膀、水上蜘蛛、水黾、蝉等。房岩等人发现蝴蝶翅膀表面较强的疏水性是翅膀表面微米级鳞片和亚微米级纵肋综合作用的结果。通过高倍扫描电镜观察，蝴蝶翅膀表面由多个鳞片覆瓦状排列组成，鳞片表面由亚微米级纵肋及连接组成，形成阶层复合结构，鳞片的纵肋横截面均为规则的三角形。当水滴滴落到翅膀表面时，大量的空气被围困于亚微米级的间隙中，在翅膀表面形成了一层空气薄膜，使水滴与翅膀不能充分接触，从而使蝴蝶翅膀具有超疏水功能。 1．2 超疏水理论 静态接触角是衡量固体表面疏水性的重要指标之一，它是指在固、液、气三相交界处，由气／液界面穿过液体内部至固／液界面所经过的角度，是润湿程度的量度，用α 表示，如图2。90°的α值是判断固体表面亲水与疏水的临界值：1）α＜90°，固体表面是亲水性的； 2）α＞90°，固体表面是疏水性的； 3）特别地，当θ＞150°时，水滴很难润湿固体， 而且容易在其表面随意滚动，这样的表面被称为超疏水表面，具有自清洁性能的超疏水表面是近年来的科研热点。接触角是表征固体表面疏水性能的静态指标，除此之外，衡量固体表面的疏水性能的动态指标是滚动角，其数值越小，表明疏水性越好，相应的自清洁功能越优异。如图3 所示，将液滴放置在水平的固体表面，将表面沿着一定方向缓慢倾斜，当液滴在倾斜的固体表面上刚好要发生滚动时，倾斜表面与水平面的夹角就是滚动角的大小，以β 表示。对于理想的固体表面（光滑、平整、均匀），固体、气体、液体界面件表面张力会达到平衡，体系总能量趋于最小，Young’s 方程给出了接触角与表面能之间的关系： γ s，g ＝γs，l ＋γg，l cosθ （1）
第37卷第9期2009年9月化 工 新 型 材 料N EW CH EMICAL MA TERIAL S Vol 137No 19 ?11? 基金项目:上海市科委纳米专项资助项目(0352nm064),东华大学科学技术发展基金资助作者简介:段琼娟(1985-),女,研究生,研究方向:纳米材料及纳米复合材料。 自清洁玻璃的研究进展 段琼娟 王 彪 王华平 (东华大学材料学院,上海201620) 摘 要 分别论述了超亲水和超疏水自清洁玻璃的主要制备方法及各种方法的优缺点,详细阐述了自清洁玻璃的最近研究进展,并对其今后的研究方向进行了展望。 关键词 自清洁玻璃,氧化钛,超亲水 R esearch progress of the self 2cleaning glass Duan Qiongjuan Wang Biao Wang Huaping (College of Material Science and Engineering ,Donghua University ,Shanghai 201620)Abstract In recent years ,studies on self 2cleaning glass have attracted considerable attention.The preparing meth 2 ods and the latest research works of self 2cleaning glass had reviewed.The further development of the self 2cleaning glass had also discussed in detail. K ey w ords self 2cleaning glass ,TiO 2,super 2hydrophilicity 所谓自清洁玻璃,是指普通玻璃在经过特殊的物理或化学方法处理后,其表面产生独特的物理化学特性,从而使玻璃洁一新的状态。自清洁玻璃按亲水性分类可分为超亲水性自清洁玻璃和超疏水性自清洁玻璃。 1 超亲水性自清洁玻璃 具有超亲水性的自清洁玻璃从材质方面看来一般都是无机材料组成的膜,如:TiO 2、SnO 2等。但目前已经投入使用和研究开发的自清洁玻璃的表面功能膜材料主要是TiO 2以及 TiO 2与其他金属、金属氧化物或其他元素掺杂的复合物。 超亲水性自清洁玻璃的自清洁功能表现为两方面:一是靠其表面对水的亲和性,使水的液滴在玻璃材料表面上的接触角趋于零。当水接触到玻璃材料时,迅速在其表面铺展,形成均匀的水膜,表现出超亲水的性质,通过均匀水膜的重力下落带走污渍,通过该方式将可以去处大部分有机或无机污渍。二是光催化分解有机物的能力,TiO 2在紫外光或可见光照射下,当照射光子的能量大于或者等于其能带宽度的时候,介带中的电子被激发,越过价带进入导带,在导带和价带上形成电子-空穴对,电子、空穴具有不同的活性,分别与吸附在TiO 2表面的有机物质发生氧化还原反应,生成水和CO 2,从而达到降解有机物的目的。 目前工业化生产的制备超亲水性自清洁玻璃的方法主要 包括了化学气相沉积法(CVD )、溶胶2凝胶高温烧结法(Sol 2 Gel )和磁控溅射法,下面对这三种方法分别进行介绍: 111 化学气相沉积法 化学气相沉积法是最早进行研究和在生产线上使用的自清洁玻璃制备方法[1],目前国际上有影响的几条自清洁玻璃生产线都用这种方法进行生产。英国的Pilkington 公司、美国的PP G 公司、法国圣戈班集团、日本旭硝子公司和中国耀华公司都采用这种方法生产自清洁玻璃。 化学气相沉积法实质上是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质或气体供给基板,借助气相反应,在基片表面上反应生成薄膜的方法。按反应方式,它分为两种形式:一种是热分解反应沉积,利用化合物受热分解的性质,在基片表面得到TiO 2固态膜。另一种是化学反应沉积,通过两种或两种以上气体物质在加热的基片表面进行化学反应而沉积成 TiO 2固态膜。 2002年英国Pilkington 公司利用CVD 技术沉积制造出 了世界第一块应用型自清洁玻璃,并已推广应用。2002年,古巴哈瓦那大学的Zumeta 和西班牙巴塞罗那大学Ayllon [2]等合作研究了以微波活化沉积化学法在导电ITO 涂层上制备纳米TiO 2薄膜。2003年,英国Pilkington 公司的Sanderson [1]等人发表文章,论述了他们的研究工作,即采用A PCVD 方法制备了TiO 2自清洁玻璃。国内的专利方面,目前有张敬畅[3]、吴兴惠[4]等申请了使用CVD 法制备TiO 2自清洁玻璃的专利。 化学气相沉积法的优点有以下两点:一是制备的膜纯度高,致密性好,容易形成良好的结晶材料。在沉积反应过程中,通过改变或调整参加化学反应的组成,就能方便地控制沉积物的成分和特征,制得各种不同的功能的薄膜和材料。二是一旦工艺控制参数确定,可以规模化连续生产,工艺上易于
超疏水材料及其应用 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。 一、超疏水材料的表面特征 润湿性是指液体与固体表面接触时，液体可以渐渐渗入或附着在固体表面上，是固体表面重要特征之一，这种特征由固体表面化学组成及微观结构共同决定，接触角和滚动角是评价固体表面润湿性的重要参数，超疏水性表面具有防雪、防污染、抗氧化及防止电流传导等特性。 植物叶子表面有许多丛生的放射状为茸毛，该微茸毛尖端极易亲水，入水后能瞬间锁定水分子，使叶片表层到茸毛尖端之间形成了一薄层空气膜，从而避免叶片与水直接接触。Brthltt研究发现，这种微茸毛有乳突及腊状物构成，其为微米结构。中科院研究员江雷研究发现，乳突为纳米结构，这种纳米与微米相结合的双微观结构正是引起表面防污自洁的根本原因。 研究表明，具有较大接触角和较小滚动角的超疏水性表面结构为微米级及纳米级结构的双微观复合结构，且这种结构直接影响水滴的运动趋势。超疏水表面的结构通常采用两种方法。一是在疏水材料表面上构建微观结构，二是在粗糙表面上修饰低表面能物质，由于降低表面自由能在技术上容易实现，因此超疏水表面制备技术的关键在于构建合适的表面微细结构。当前，一报道的超疏水表面制备技术主要有溶胶—凝胶法、模板法、自组装法及化学刻蚀法。 二、在日常生活中的应用 空调夏天制冷时，换热器上会产生大量冷凝水，需要专门的排水管排到室外，这不仅降低了空调的能效比，还容易出现漏水现象，更为严重的会造成室内的空气湿度不断减小，使人们生活、工作的环境恶化。同样，冬天空调制热时，室外机换热器会结霜，为了除霜不得不经常停掉空调，这不仅浪费电能不利于制热，还容易出现各种故障。东南大学化工系陈志明教授研究发现，空调换热器的表面用超疏水材料处理后，不仅能避免上述问题的出现，还能明显降低空调器的噪声，延长空调器的使用寿命，且可节约空调器的设计成本。经过工业涂覆验证，其各项性能指标均达到了国际水平，可代替进口产品。
超疏水高分子材料的研究进展 摘要：近十年来，由于超疏水表面在自清洁、防冰冻、油水分离等方面的广泛应用前景，超疏水高分子薄膜的研究受到了极大的关注。本文综述了超疏水高分子材料的制备方法，并对超疏水高分子材料研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水，高分子材料，自清洁 Developments of super-hydrophobic Ploymeric material Abstract: In the last decades, super-hydrophobic surface has aroused great interest in both academic and industrial fields owing to their potential application in self-cleaning, anti-icing/fogging, water/oil separation, et al. In this paper, the recent development in super-hydrophobic polymeric membrane is reviewed from both preparation and technique, and the future development direction of the superhydrophobic polymeric surface is also proposed in the end． Key Words: super-hydrophobic, polymeric membrane, self-cleaning. 引言 自然界是功能性表面的不竭源泉。植物叶表面的自清洁效果引起了人们的很大的兴趣，在以荷叶为典型代表的自然超疏水表面上充分体现了这种自清洁性质，因此称之为“荷叶效应”[1]。图 1.1中展示的是水滴和汞在荷叶表面的宏观与微观的照片[2]。植物叶表面的微观结构产生自清洁性这一发现不仅为人工构筑超疏水表面提供的灵感，而且植物叶本身也是一个优异的模板，通过对其结构的复制，可望得到具有类似于植物叶表面微结构及自清洁性能的表面。通过对生物体表面结构仿生可以实现结构和性能的完美统一[3-12]。 随着高分子材料在日常生活中的广泛应用，针对高聚物材料存在的表面问题，例如表面的防污性、湿润性，防冰冻，抗菌性等的研究变得越来越重要，特别是智能高分子材料的性能研究尤为引人注目。由于超疏水材料在自清洁、
金属基体超疏水表面制备及应用的 研究进展 Progress in Fabrication and A pplicat ion of Superhydrophobic Surfaces on M etal Substrat es 徐文骥,宋金龙,孙 晶,窦庆乐 (大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024) XU Wen ji,SONG Jin long,SUN Jing,DOU Q ing le (Key Labor ator y for Precision and No n traditio nal M achining Technolog y fo r M inistry of Education,Dalian U niversity of T echno logy,Dalian116024,Liaoning,China) 摘要:在介绍润湿性相关理论的基础上,综述了国内外金属基体超疏水表面的制备方法及应用,重点讨论了阳极氧化法、电化学沉积法、化学腐蚀法、化学沉积法、一步浸泡法、热氧化法、模板法、复合法等,及超疏水表面在响应开关、自清洁、流体减阻、耐腐蚀、防冰霜、油水分离、微型水上运输器等方面的应用,最后评述了各种方法的特点,提出了在金属基体上制备超疏水表面所面临的问题。 关键词:金属基体;超疏水表面;研究进展 中图分类号:T G66 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2011)05 0093 06 Abstract:On the basis of the fundamental theories,the fabr ication and application of superhydropho bic surfaces on metal substrates w er e r eview ed.It em phasized to discuss preparation methods of anod ization,electro chem ical depositio n,chem ical etching,chemical deposition,one step solution imm er sion,thermal ox idatio n,template,co mposite,etc.Super hy drophobic surfaces on m etal substrates w ere also summarized in the applicatio n of response sw itch,self cleaning,drag reduction,corro sion resistance,anti icing,w ater and oil m ixture separatio n,miniatur e transporter over w ater.M ean w hile,characteristics of different kinds o f techniques w ere discussed.Finally,the pr oblem s about fabricatio n of super hy drophobic sur faces on m etal substrates w er e bro ug ht fo rw ar d. Key words:metal substrate;superhydropho bic surface;research progr ess 润湿性是固体表面的重要性质之一[1],常用接触角来衡量,当接触角小于90 时为亲水表面,小于5 时为超亲水表面,大于90 时为疏水表面,大于150 时为超疏水表面。在自然界中,到处可见超疏水现象,荷叶、水稻叶子等植物叶片具有自清洁效应,水黾能够毫不费力地站在水面上[2],蝴蝶翅膀能在雨中不被淋湿。1996年Onda等[3]首次报道了人工合成超疏水表面, 1997年,德国植物学家Bar thlott和Neinhuis[4,5]对植物的超疏水性进行了系统研究,发现荷叶的自清洁性是由表面微米结构和表面蜡层共同引起的。江雷等[6]对荷叶的进一步研究,发现微米结构的乳突上还存在纳米结构,而微纳米结构和表面蜡层共同作用是引起荷叶表面超疏水的根本原因。 由于超疏水表面具有自清洁[7,8]、减阻[9-11]、耐腐蚀[12,13]、防结冰[14-19]等特性,而金属材料在工农业生产中又被广泛地应用,因此研究金属基体超疏水表面的制备方法及应用极为重要,也引起了各国研究人员的极大兴趣。 1 相关理论 1.1 Yong氏模型 当少量液滴滴在理想固体(绝对光滑)表面,在固、液、气三相的交界处,由固、液界面经过液体内部至液、气界面的夹角称为接触角 ,其大小满足Yo ng氏方程[20]: cos =( sg- sl)/ lg(1)式中: sg, sl和 lg分别表示固 气、固 液、液 气界面的表面张力。 由式(1)可得,当液体确定时,即 lg确定时,接触
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。