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

2 超疏水材料的用途

2.1 超疏水材料在流体减阻中的应用

超疏水表面的一个突出的性质是滑移效应的出现, 这一点已被广泛认可[3]。随着疏水表面滑移效应的发现, 人们开始重视研究基于疏水表面滑移效应所产生的减阻新技术. Watanabe 等[4]研究了内壁覆盖氟烷烃改性的丙烯酸树脂条纹的超疏水圆管的减阻性能, 实测的压强- 速度剖面曲线表明, 当雷诺数为500～10000 时, 阻力下降达14%, 对应的滑移长度达450μm。Bechert 等[5]受到鲨鱼表皮三维肋条结构的减阻性能的启发, 从实验出发研究了具有类似结构的新型机翼表面的减阻性能, 结果表明这种表面比光滑的机翼表面剪应力降低7.3%。Koeltzsch 等[6]研究了具有分叉型肋条结构的管道内壁表面的减阻性能, 以及不同肋条结构的影响效果, 这为输油管道内壁的减阻方法提供了新思路。王家楣等[7]从船首底部喷气生成微气泡出发研究了不同雷诺数、不同微气泡浓度下的减阻试验, 为微气泡减阻技术的应用提供了依据。徐中等[8]采用标准κ- ε湍流模型对凹坑形表面在空气介质中不同条件下的流动进行了模拟, 得到的最大减阻率达到7.2%.

2.2超疏水材料在抗腐蚀中的应用

通过超疏水膜技术在金属表面形成一层超疏水性的膜层，可以有效地增强金属表面阻抗、降低腐烛电流密度，使平衡腐烛电位向正方向移动，提高金属的防腐能力。超疏水膜技术应用于金属防腐已有大量研究。刘涛[9]在铜、锅及铁锅金属间化合物表面制备出超疏水薄膜,电化学测试拟合数据显示,超疏水表面对于铜、锅、铁招金属间化合物的缓烛效率可分别达到99%, 97%和86%。刘通等[10]在金属招表面制备了一层稳定的近似珊瑚状的超疏水膜,海水的接触角大于150°, Yansheng Yin等[11]在错样品表面制备了接触角为154°的超疏水表面。电化学测试表明,超疏水膜显着地降低了腐蚀电流密度、腐烛速率和双电层电容。

2.3超疏水材料在建筑防污耐水等领域内的应用[12]

建筑物表面的污染主要是由于空气中微小颗粒的粘附和雨!雪等的覆盖污染"超疏水材料因其独特的疏水性，在建筑物内外墙!玻璃及金属框架等的防水!防雪和耐沾污等方面均有广泛的应用前景，可大大降低建筑物的清洁及维护成本，使得建筑物能长久保持亮丽的外观"目前，超疏水表面材料在建筑防污染方面的产品主要是涂层及防护液等，如中科赛纳技术有限公司采用纳米合成技术制备的纳米超疏水自清洁玻璃涂层"该涂层一般为无色透明!无毒!无污染牢固度高且具有自清洁!防结冰!抗氧化等功能"德国STO公司同样根据荷叶效应原理开发了有机硅纳米乳胶漆"。

2.4超疏水材料在微流体控制方面的应用

超疏水材料表面所具有的不浸润性及低表面粘滞力，使其在微流体控制应用方面也有十分出色的表现。比如控制微液滴的运动和流动，并以此制造微液滴控制针头，使得在实验或者生产过程中对液体滴加计量能够精确控制，实验试剂的添加将更得心应手。如果将这类技术运用到诸如静电喷涂领域，比如用超疏水材料制造喷漆喷胶等的喷头，将会使喷涂的液滴更加均匀，雾化效果更好，可以运用在对喷涂效果有特殊要求的场合"另外如果以这类材料制作毛细管类的材料，将会使液滴的虹吸量更少，可以制造体积更小精密度更高的液体传输设备。

3表面润湿性的转变

响应性材料使得人们能够通过外界刺激来改变材料的各种性质，在这里我们

主要介绍通过外界刺激来智能地控制表面润湿性行为。表面湿润性的转变方法主要有电场诱导，应力作用，光响应，温度响应和pH 值响应等。

Lahnn教授首次利用带有亲水性端基的长链烷烃在电场作用下的构型变化，

实现了电场诱导的浸润性的转变[12]。M.Berggren教授也进行了由固体电解质与电化学活性的导电聚合物相结合构成的电润湿开关的研究[13]。

长春应化所的韩艳春教授研究小组[14]报道了三角形网结构的聚酰胺膜，通过对此膜双轴方向的拉伸和恢复，可以实现从超疏水到超亲水的可逆转变。

Fujishima教授领导的研究小组报道了在紫外光照射的条件下TiO2材料能够产生同时超亲水和超亲油的性质[15]。利用电化学、水热合成等方法构筑表面粗糙的SnO2、ZnO、TiO2、WO3和V2O5等光敏材料，通过紫外光的照射，这些材料可以实现超亲水和超疏水之间的可逆转变。

江雷教授[16]将含有这种高分子的共聚物接枝到了粗糙的硅片表面，从而实现了由温度控制的超亲水超疏水的可逆转变。而如果将聚异丙基丙烯酰胺的共聚物接枝在平整的硅片表面，那么它只能实现亲水和疏水之间的转化。

Whitesides研究小组[17]首先报道了平滑表面上pH值响应的润湿性行为，他们将极性有机官能团，如羧基和氨基等修饰于低密度的聚苯乙烯表面，并测量了这些表面含有机酸和碱性基团的接触角随pH值的变化。

4 超疏水材料的制备

人们发现材料表面的超疏水性质是材料表面的化学组成及表面结构共同作用的结果。北京化学所的江雷教授首次提出了“二元协同作用”这一概念[18]。根据这一概念，超疏水表面通常需要经由两步获得：(1)在材料的表面构筑粗糙结构；(2)在粗糙表面上接枝低

表面能的试剂。基于这两条基本原则，许多方法被用来构建超疏水表面，其中最常用的制备手段有：层层组装法、溶液浸泡法、电化学沉积法、模板法和气相沉积法等。

4.1层层组装法

吉林大学孙俊奇教授的研究小组[19]报道了一种利用层层组装技术将粒径为220 纳米的二氧化硅小球生长到粒径为600 纳米二氧化硅小球上的方法，整个体系为呈树莓状的二元纳微分级结构。这些树莓状的小球经过疏水试剂接枝后，接触角达到了157°，滚动角小于5°。相反，对于单一粒径的二氧化硅微球而言，经同样方法处理后，所得到的膜层的接触角为147°，滚动角为30°。

4.2 溶液浸泡法

Bell 教授利用简单的置换反应，将铜片或锌片放入金或银的盐溶液中，由于在金属活动顺序表中，铜和锌要比金和银活泼，因此在铜片和锌片的表面上会生长出金或者银的纳米粒子，从而增加了材料表面的粗糙度，如图2所示[20]，经过疏水试剂的处理后，表面接触角可以到达到180°。

图2

以上方法是通过两步来实现超疏水表面制备的：第一，在材料表面构造粗糙结构；第二，在粗糙结构的表面接枝疏水试剂。姚建年教授的研究团队最近报道了一种通过溶液浸泡法一步制备超疏水材料的方法，这种方法将表面粗糙处理和表面接枝通过一步来完成：他们将表面光滑的铜片放在特定[Ag(NH3)2]OH溶液中，经过6个小时的浸泡后，在铜片表面出现了类似于玫瑰花花瓣的结构，测试其接触角达到了156°，如图3所示[21]。

图3

4.3 电化学沉积法

电化学沉积法是制备超疏水薄膜的常用方法，它通过氧化还原反应，在工件表面沉积出微纳米结构。通过调整反应时间、沉积电压等参数，对沉积表面形貌进行控制。Giovanni Zangari等[22]将Si基体处理为多孔硅片，再将Au离子沉积到多孔硅片基体上获得树枝状的Au簇，经过化学修饰后，得到了将近180°的超疏水表面；Liu Hongtao等[23]在碳钢表面，利用双层纳米复合电刷镀方法制备出纳米-C/Ni和纳米-Cu/Ni复合双层镀层，经过低能物质修饰后，这种镀层表面的水接触角达到155.5°、滚动角为5°，并且这一超疏水表面具有优异的抗腐蚀特性；Chen Zhi等[24]以乙醇溶液溶解的CoCl2为电解液在不锈钢表面利用电沉积法一步制备出接触角高达160°的超疏水表面。

4.4模板法

清华大学的王晓工教授，通过揭起软刻蚀的方法，制备了仿生的荷叶表面[25]。首先，他将聚二甲基硅氧烷模板的预聚体压印在荷叶的表面，在适当条件时预聚体聚合后被揭起，就得到了与荷叶表面完全相反的反相PDMS 结构。接着再以这种反相结构为模板，在高分子epoxy-based azo polymer(BP-AZ-CA)上面利用微接触印刷技术再次压印，得到与PDMS 模板表面形貌刚好相反的高分子图案而这种图案与荷叶表面的形貌完全一致，如图 4 所示。测试其表面接触角为156°。对比而言，平整的BP-AZ-CA 高分子模板表面接触角只有82°。

图4

4.5气相沉积法

江雷教授的研究小组报道了利用化学气相沉积(CVD)法在石英基底上制备了各种图案结构，如蜂房状、柱状和岛状的阵列碳纳米管膜，如图5所示[26]。结果表明，水在这些膜表面的接触角都大于160°，滚动角都小于5°，纳米结构和微米结构在表面的阶层排列被认为是产生这种高接触角，低滚动角的主要原因。

图5

5制备超疏水表面材料存在的问题

在制备超疏水表面过程中,往往要构建微纳米级的双微观结构,正是由于微纳米级的粗糙结构再覆以低表面能物质使得具有优良的疏水性能。但是在实际生活和工农业生产中其表面难免会受到摩擦、撞击和冲压等作用,导致粗糙结构遭到破坏,从而使疏水性能受损。

目前的制备方法大多都采用特殊的材料,或者特殊昂贵的设备,而且构建的操作过程繁琐。所有的这些因素都增加了超疏水表面构建的生产成本,也制约了大面积生产的可行性,很难适合工业生产的要求。因此,寻求生产成本低廉、操作步骤简单、设备易得的制备方法,是研究人员在未来要解决的几大首要问题。

6 总结

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。

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超疏水材料的应用前景

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。

中国在超疏水材料研究方面的进展

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。

超疏水材料研究进展

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

超疏水材料织物的应用与发展

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。

超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展

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

超疏水材料研究报告进展

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)

超疏水材料的应用前景

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）

超疏水材料的应用及进展

超疏水材料的应用及进展 在仿生研究领域，许多奇特的微/纳生物表面现象给予人们大量的启示。比如荷叶效应、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁，引发了人们对超疏水材料的研究兴趣。本文综述了仿生超疏水表面的润湿性原理、主要制备方法和应用。 关键词：仿生超疏水；润湿性；制备方法；应用 在时间的长河中，大自然不断地孕育生命，每一个生命体都具有其独特的艺术性、科学性。人类在不断适应自然、认识自然的同时，逐渐开始研究自然。仿生研究是人们学习自然，提高现有技术的有效手段。在仿生研究领域，许多奇特的微纳生物表面现象给予了人们大量的启示与想象空间[1]。比如荷叶效应[2] 、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁[3]，引发了人们对仿生超疏水材料的研究兴趣。 1 润湿性原理 固体表面的润湿性[4]对揭示表面亲、疏水性，强化表面疏水性能和制备疏水表面具有重要意义。描述润湿性的指标为与水的接触角，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。 Wenzel[5]假设液体始终填满固体表面上的凹槽结构，粗糙

表面的表观接触角θ?与光滑平坦表面本征接触角θ存在以下关系：r （γs-g-γl-s）/γl-g=cosθ?=rI cosθ，式中r是材料表面的粗糙度因子，为固液界面实际接触面积与表观接触面积之比。而Cassie[6]认为疏水表面上的液滴不能填满粗糙表面上的凹槽，凹槽中液滴下存留空气，从而表观上的固液接触实际上是固液、固气接触共同组成，提出cosθ?=fs（1+c cosθ）-1，式中：fs是复合接触面中凸起固体面积与表观接触面积之比，其值小于1。而Cassie和Baxter[7]从热力学角度得到适合任何复合表面接触的Cassie-Baxter方程cosθ?=f1cosθ1+: f2cosθ2，式中θ?是复合表面的表观接触角，f1、f2分别是两种介质在固体表面上所占面积的比例，θ1、θ2分别是2种介质界面间（固液、气液）的本征接触角。研究发现[8]，固体表面随着微孔深度的增加，液体的浸润性增大，润湿性减小；随着孔间距的增大，液体的润湿深度先减小后增大。超 2 制备方法 由材料表面润湿性原理可知，材料表面能和表面微纳米结构是影响材料表面疏水、亲水性能的主要因素。制备仿生超疏水表面主要从两方面入手，一方面是使用具有低表面能材料，另一方面是改变材料表面粗糙度和微纳米结构。。 2.1、自然界物质中表面能最低的两种材料是硅氧烷、含氟

2011-金属基体超疏水表面制备及应用的研究进展

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

超疏水高分子薄膜的研究进展 (1)

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、

超疏水材料研究进展

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

超疏水材料及其应用

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。

浅谈超疏水材料的应用前景

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。

超疏水材料的研究现状及应用

超疏水材料的研究现状及应用 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。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，本文简述了超疏水表面的制备方法，归纳了超疏水表面的应用,对超疏水表面研究的发展进行了展望。 关键词：超疏水表面材料；微流体系统；表面制备方法；表面应用Superhydrophobic materials Research and Application Li Yongliang (Jiangnan University, College of Chemistry and Materials Engineering Jiangsu Wuxi 214122,China) Abstract:Superhydrophobic surface material with a waterproof, anti-fouling, can reduce the viscosity of the fluid and other excellent features, is currently one of the hot functional materials. As super-hydrophobic surface in the self-cleaning surfaces, microfluidic systems, biocompatibility and other potential applications, research on super-hydrophobic surface caused a great deal of attention, this paper outlines the super-hydrophobic surface preparation methods, summarized the super-hydrophobic surface application of research for the development of super-hydrophobic surfaces were discussed. Keywords:Superhydrophobic surface material; Microfluidic systems; Surface preparation methods; Surface application 近年来，植物叶表面的超疏水现象引起了人们的关注。所谓植物超疏水能力，就是植物叶面具有显著的疏水，脱附，防粘，自清洁功能等。随着科学的发展 , 各种疏水表面的设计和应用成为研究的热点问题之一。一般认为水滴接触角大于 150°的表面称为超疏水表面。自然界里有很多动植物表面都具有高疏水性和自洁功能,例如荷叶和水稻叶表面,其表面水的接触角都高达160°以上,滚动角小于3°。超疏水表面的制备通常包括粗糙表面的制备和使用低表面能物质

超疏水表面的原理及应用

超疏水表面的原理及应用 发表时间：2019-03-20T13:41:30.343Z 来源：《科技新时代》2019年1期作者：李庭姝 [导读] 超疏水表面有着广泛的应用前景，比如在减阻、润滑等方面。本文主要介绍了超疏水表面的基本理论和相关制备方法 深圳市宝安中学广东深圳 518101 摘要：超疏水表面有着广泛的应用前景，比如在减阻、润滑等方面。本文主要介绍了超疏水表面的基本理论和相关制备方法，以及它的两种影响因素和相关研究进展，并在此基础上归纳总结了超疏水表面应用的一些优缺点。 关键词：超疏水表面、润湿性、微/纳米结构、防冰冻、减阻 超疏水表面的基本原理 1. 自然界中有很多动植物的表面具有超疏水的性质，例如玫瑰和荷叶。仿照生物表面的微观结构，人们开始关注仿生材料。通过对这些生物的研究，人们对于超疏水表面的认识更加深入，新技术在生活中的应用更加广泛。 1.1超疏水表面的基本理论 当液体与固体接触时，液体沿固体表面扩展的现象称为液体与固体的浸润现象。在气体、液体、固体三相的交界处作液体表面与固体表面的切线，则此切线所构成的液体内部的夹角θ即为接触角。液滴在斜面上时，随着斜面倾斜角的增大，液滴开始滚动的临界角则定义为滚动角。 在理想固体表面上，接触角由三相的表面张力决定，并满足Young’s[1]方程： cosθ=(γsg-γsl)/γlg γsg、γsl 、γlg分别为固-气、固-液、气-液间的表面张力。由于真实固体表面并非理想固体的光滑表面，故必须还要考虑表面的粗糙度。提出相关的较为成熟的基本理论有Cassie状态及Wenzel状态等。 Cassi研究了组成不均一的固体表面对液滴浸润性的影响[2]。在Cassie理论中，水滴未进入固体表面粗糙的微孔，从而形成水滴与空气膜界面。Cassie方程为： cosθc=f1cosθ1+f2cosθ2 θc为表观接触角，θ1、θ2分别为液-气、固-气的接触角，f1和f2为液体、固体表面和空气接触的比例。 而Wenzel[3]理论则描述了水滴完全湿润固体表面，与固体不存在空气膜的情况。Wenzel提出的接触角方程为： cosθw=r（γsg-γsl）/γlg=r cosθ 其中r为表面粗糙因子。 当接触角小于90°时，表面为亲水性表面；当接触角大于90°时，表面为疏水性表面；当接触角大于150°，且滚动角小于10°时，表面称为超疏水表面。 2．影响超疏水表面的因素 自然界中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、出淤泥而不染的荷叶。对于自然界这些动植物的研究，使得人们对于超疏水表面的认识更加深入，这对于制备仿生材料具有很好的意义。固体表面的浸润性主要由两个因素决定:①表面的粗糙程度；②表面能。超疏水表面的制备原则是将两者有机结合，或赋予低表面能物质表面适当的粗糙结构，或对粗糙表面进行表面改性以降低表面能。下面将分别详细介绍超疏水表面的影响因素。 固体表面的化学物质直接影响着浸润性及接触角。金属、玻璃等具有高表面能的物质易被浸润，而高聚物等低表面能物质则难以被浸润。研究人员曾经发现了很多光滑的脂肪族聚酰胺的浸润性，发现接触角随聚合物表面酰胺基的含量增加而增大。研究者们也在对光滑的甲基丙烯甲酯及含氟甲基丙烯甲酯的共聚物表面浸润性的研究中，发现接触角随表面含氟量的增大而增大。Cassie及Wenzel的方程中均包含三相张力γ，也可反映出表面化学物质对接触角的影响。 固体表面的粗糙程度同样影响着接触角，表面越粗糙，表面的疏水性越强。Wenzel在上个世纪40年代研究了固体表面粗糙结构与浸润性的关系，并在自己的方程中引入粗糙因子r来描述他们之间的关系。自然界中，许多具有超疏水性的植物叶面、水禽羽毛表面除了覆盖有一些低表面能的物质，包括分泌出的疏水性的蜡或油脂，表面还非常粗糙，这使其与水的接触角可达150°以上。荷叶表面有许多微米级的乳突，减少了固液基础面积，赋予了它优秀的超疏水性，这种结构也是人们仿生荷叶得到超疏水结构所模仿的。 将两种因素结合起来，可以制备出强浸润性的超疏水表面，即在粗糙度表面修饰低表面能物质，或是在低表面能物质表面构建粗糙结构。张希等[4]将逐层自组装的技术和电化学的沉积过程的技术相结合，将金颗粒沉积在与聚电解质组装的氧化铟锡电极表面上。 3.超疏水表面的制备方法 前面已经提到过影响固体表面的润湿性主要因素有表面的粗糙程度和表面能两种，所以说制备超疏水表面就是将二者有机结合，但凡可以改变表面微/纳结构或降低表面能的方法均可以达到改性的目的。下面将分别介绍几种已有的超疏水表面的制备方法、原理及优缺点。 3.1模板法 模板法是用已有表面存在所需粗糙结构的材料为模板，在一定条件下“复制”获得与模板相同的粗糙表面。基材可以是天然的超疏水材料如荷叶、花瓣等，也可以是多孔氧化铝等其他复合材料。研究者们使用多孔氧化铝作为一种基底模板，通过热压的方法将模板上的聚苯乙烯压入孔中，然后降温去除模板，得到具有纳米结构的聚苯乙烯表面，通过模板的尺寸，可以控制聚苯乙烯表面的微结构。模板法是一种简洁、高效、可发面积复制的制备方法，有很好的实际应用前景。 3.2气相沉积法 气相沉积法是利用不同的低表面物质通过化学或者物理的方法沉积在基材表面形成低表面能物质膜的过程。气相沉积法包括化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）等。Lau等[5]采用化学气相沉积法在碳纳米管整列薄膜的表面上，沉积一层四氟乙烯膜，可得到具有自清洁性能的超疏水表面。研究者们利用等离子体加强化学气相沉积方法，把五氟乙烷在纤维素薄膜上沉积起来，形成了一层碳氟

超疏水性材料表面的制备_应用和相关理论研究的新进展

超疏水性材料表面的制备、应用和相关理论研究的新进展 范治平1,魏增江1,田 冬1,肖成龙1,孙晓玲1,陈承来2,刘伟良1* (1.山东轻工业学院材料科学与工程学院,玻璃与功能陶瓷加工与测试技术山东省重点实验室, 济南 250353;2.山东省聊城水文局,聊城 252055) 摘要:文章总结了Wenzel方程、Cassie方程及一种具有极高精确度的,可方便测出固体表面上液滴前进角 和后退角的测试方法等超疏水表面的最新理论研究成果;回顾了溶胶凝胶法、化学修饰法、喷涂法、液相法、化 学蚀刻法、水热法、微相分离法、原位聚合法、静电纺丝法、阳极氧化法等近几年出现的超疏水表面的制备方法; 介绍了在微物质能量、生物医学、光学、燃料以及电池应用等领域超疏水表面的最新功能性的应用。最后,客观 地展望了超疏水表面制备及理论研究的发展方向。 关键词:超疏水;超疏水表面;仿荷叶;微纳米结构;接触角 一般认为水滴接触角大于150 的表面称为超疏水表面。超疏水表面的制备通常包括粗糙表面的制备和使用低表面能物质对粗糙表面进行修饰这两个步骤。随着实验技术的不断革新,一些添加剂、助剂的使用,使得制备工艺进一步完善,进而得到了一些简单、可操作性强且产出成品性能良好的制备方法。近年来,超疏水表面凭借其特有的自清洁性及良好的生物相容性,受到了更加广泛的关注。本文介绍了超疏水表面的理论研究进展,探讨了多种新型制备方法及其功能性的应用。 1 超疏水理论进展 浸润性是固体表面重要的特性,接触角是衡量固体表面浸润性的主要指标。最早描述液滴在固体表面接触角的是杨氏方程[1],说明了接触角与固体表面能的关系。 s,g= s,l+ g,l cos (1)公式(1) s,g、 s,l、 g,l分别为固气、固液、气液间的界面张力。 Wenzel[2,3]对杨氏方程进行了修正,指出由于实际情况下材料表面粗糙不平,使得实际 接触面积要比理想表面积大,为此提出了Wenzel方程: co s =r( s,g- s,l)/ g,l(2)公式(2)中:r=实际接触面积/表观接触面积。与杨氏方程相比,cos =r cos 称 为表观接触角, 为杨氏接触角。显然r>1,根据Wenzel方程可知,对于疏水表面来说粗糙的表面会更疏水。 Cassie等[4]认为水滴在粗糙表面接触存在两种界面: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水滴与空气垫界面,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: co s =f1co s -f2(3)式中,f1、f2分别为粗糙表面接触面中液固界面的面积分数与气固界面的面积分数。 Cassie等[4]还研究了固体光滑表面不均一组分对疏水性的影响,认为非均一组分表面的疏水性是各组分疏水性的加和,表观接触角 与各组分本征接触角 i的关系如下: cos =a1cos l+a2cos 2(4) a i是构成表面各组分的重量分数,a1+a2=1。 基金项目:山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(2007BS04007);山东轻工业学院博士科研启动基金资助; 作者简介:范治平(1984-),男,硕士研究生; *通讯联系人,T el:0531 ********;Email:liuw l@https://www.docsj.com/doc/d41839952.html,.