超疏水材料研究進(jìn)展

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1、超疏水材料的研究進(jìn)展2015年5月3日-10-超疏水材料的研究進(jìn)展摘要：超疏水性材料因?yàn)樗?dú)特的性質(zhì)，而在很多方面得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，許多具有特殊潤(rùn)濕性的動(dòng)植物表面同樣受到關(guān)注。通過(guò)研究這些表面微觀結(jié)構(gòu)，人們成功地仿生制備出各種功能化超疏水表面，從而更好地滿(mǎn)足工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的需要。該綜述簡(jiǎn)單地介紹了表面潤(rùn)濕的基本原理和一些自然界中的超疏水表面現(xiàn)象，重點(diǎn)介紹近幾年超疏水表面應(yīng)用的最新研究進(jìn)展。最后，對(duì)超疏水表面研究的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：超疏水、仿生、潤(rùn)濕、功能化表面自然界中，經(jīng)億萬(wàn)年的自然選擇，許多生物的表面都表現(xiàn)出優(yōu)良

2、的超疏水性能，比如荷葉、花生葉、蓮葉等植物表面和水黽、鯊魚(yú)表皮、沙漠甲蟲(chóng)、蝴蝶翅膀等動(dòng)物體表。一直以來(lái)，這類(lèi)自然現(xiàn)象都啟發(fā)著各領(lǐng)域的科學(xué)工作者們，尤其是近幾十年，仿生超疏水表面以其優(yōu)越的防腐蝕、自清潔、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清潔、建筑防水、流體減阻、防污等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1]。因此，對(duì)超疏水材料進(jìn)行總結(jié)和展望，對(duì)這種材料的發(fā)展有重要的意義。1超疏水原理超疏水表面的定義可以從字面意思上進(jìn)行理解，即指難以濕潤(rùn)的表面，固體表面的濕潤(rùn)性作為固體表面重要的特性之一，不僅受到固體表面粗糙度的影響，還受固體表面化學(xué)成分的影響，我們可以

3、用液體與固體的接觸角θ來(lái)作為是否濕潤(rùn)的判斷依據(jù)。接觸角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。當(dāng)θ=0°時(shí)，所表現(xiàn)為完全濕潤(rùn)；當(dāng)θ<90°時(shí)，表面為可濕潤(rùn)，也叫做親液表面；當(dāng)θ>90°時(shí)，表面則為不濕潤(rùn)的疏離表面；當(dāng)θ=180°時(shí)，則為完全不濕潤(rùn)。一般θ>150°被稱(chēng)為超疏水表面[3]。接觸角是衡量表面疏水性涂層濕潤(rùn)性的主要指標(biāo)，但并不是唯一指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中還可以根據(jù)前進(jìn)角、后退角的大小來(lái)考慮其動(dòng)態(tài)過(guò)程。前進(jìn)角與后退角是液滴前進(jìn)或后退時(shí)與固體表面所成的臨界角度。但是如果不斷增加或減小固體表面上液滴的體積，不管是粗糙的固體表面還是

4、光滑的固體表面，液滴都無(wú)法立即達(dá)到平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為接觸角的粘滯性。-10-2自然界超疏水現(xiàn)象在自然界中，有許多現(xiàn)象都是超疏水材料的體現(xiàn)，研究它們的機(jī)理對(duì)新材料的發(fā)展有重要的意義。2.1荷葉自清潔效應(yīng)荷葉表面具有自清潔效果，是大自然中最為典型的超疏水性代表。我們經(jīng)常在荷葉上看到雨滴自動(dòng)匯集成滾動(dòng)的水珠，荷葉上的灰塵等雜質(zhì)都粘附在水珠上一起滾出葉面，從而清洗荷葉。1997年，Barthlott和Neinhuis[4]運(yùn)用電子顯微鏡觀察到了這個(gè)秘密。主要是因?yàn)楹扇~表面布滿(mǎn)了10微米的乳突（如圖1所示），它們緊密湊集在一起形成了著復(fù)雜

5、的維納二級(jí)結(jié)構(gòu)，這種粗糙的維納結(jié)構(gòu)能降低荷葉表面與水的接觸面積，使得水滴在張力作用下自動(dòng)收縮成球形滾動(dòng)。圖1[4]：荷葉表面微觀圖同樣的原理，邱雨辰等[5]發(fā)現(xiàn)，花生葉表面同時(shí)具有超疏水和高黏附特性.水滴在花生葉表面的接觸角為151±2°,顯示出超疏水特性.此外,水滴可以牢固地附著在花生葉表面,將花生葉翻轉(zhuǎn)90°甚至180°,水滴均不會(huì)從表面滾落,-10-顯示了良好的黏附性(黏附力超過(guò)80μN(yùn))。研究發(fā)現(xiàn),花生葉表面呈現(xiàn)微納米多級(jí)結(jié)構(gòu),丘陵?duì)钗⒚捉Y(jié)構(gòu)表面具有無(wú)規(guī)則排列的納米結(jié)構(gòu)?；ㄉ~表面特殊的微納米多尺度結(jié)構(gòu)是其表面呈現(xiàn)高黏附超疏

6、水特性的關(guān)鍵因素，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，很多宏觀上表現(xiàn)出的優(yōu)異現(xiàn)象，都來(lái)自于微觀機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是有微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的組合，這種組合大大提升了材料性能。2.2水黽水上漂的技能水黽是一種常見(jiàn)的水上昆蟲(chóng)，擁有特殊的技能和本領(lǐng)，具體表現(xiàn)為水黽由于具有良好的疏水性，不會(huì)將自己潤(rùn)濕，可以長(zhǎng)期生活在水面上?？茖W(xué)家針對(duì)水黽的腿部潤(rùn)濕性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，水黽腿表面定向排列著微米尺度的針狀剛毛，大部分50微米左右(圖2b所示)。每根剛毛上有明顯的有螺旋狀納米尺度溝槽，形成了獨(dú)特的階層結(jié)構(gòu).空氣被有效地吸附在這些取向的微米剛毛和螺旋納米溝槽的縫隙中（圖2c所

7、示）,在表面形成一層穩(wěn)定的氣膜,有效阻礙了水滴的浸潤(rùn),這才是水黽腿超疏水性和高表面支撐力的根源[6-9]。圖2[8]：(b)腿上取向排列的微米級(jí)剛毛;(c)剛毛上的納米溝槽基于同樣的原理，孔祥清[10]等人發(fā)現(xiàn)，蚊子腿表面的超疏水機(jī)理。單根蚊子后腿在水面上的靜態(tài)承載力平均可達(dá)600μN(yùn)，是整個(gè)蚊子體重的20多倍。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，蚊子腿表面被大量有序排列的、瓦片狀的、尺寸在十微米級(jí)的空心鱗片覆蓋，鱗片表面整齊排列了亞微米級(jí)的縱肋和納米級(jí)的橫筋結(jié)構(gòu)。蚊子腿部表面具有很強(qiáng)的疏水性，靜態(tài)接觸角約為153°。理論分析表明，蚊子腿表

8、面上的微納多級(jí)結(jié)構(gòu)是其具有超疏水性和高可靠性表面承載力的根本原因。該發(fā)現(xiàn)對(duì)于設(shè)計(jì)具有超疏水性能的仿生自清潔表面有一定的啟發(fā)作用。-10-3超疏水材料的制備方法受自然界中荷葉、水稻葉等植物表面的疏水性質(zhì)的啟發(fā)，近年來(lái)對(duì)疏水現(xiàn)象及理論的研