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《超疏水性材料表面的制備_應(yīng)用和相關(guān)理論研究的新進(jìn)展.pdf》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第11期高分子通報(bào)!105!超疏水性材料表面的制備、應(yīng)用和相關(guān)理論研究的新進(jìn)展1111121*范治平,魏增江,田冬,肖成龍,孫曉玲,陳承來,劉偉良(1.山東輕工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,玻璃與功能陶瓷加工與測試技術(shù)山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南250353;2.山東省聊城水文局,聊城252055)摘要:文章總結(jié)了Wenzel方程、Cassie方程及一種具有極高精確度的,可方便測出固體表面上液滴前進(jìn)角和后退角的測試方法等超疏水表面的最新理論研究成果;回顧了溶膠凝膠法、化學(xué)修飾法、噴涂法、液相法、化學(xué)蝕刻法、水熱法、微相分離法、原位聚合法、靜電紡絲法、陽極氧化法等近幾年出現(xiàn)的
2、超疏水表面的制備方法;介紹了在微物質(zhì)能量、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、燃料以及電池應(yīng)用等領(lǐng)域超疏水表面的最新功能性的應(yīng)用。最后,客觀地展望了超疏水表面制備及理論研究的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:超疏水;超疏水表面;仿荷葉;微納米結(jié)構(gòu);接觸角一般認(rèn)為水滴接觸角大于150的表面稱為超疏水表面。超疏水表面的制備通常包括粗糙表面的制備和使用低表面能物質(zhì)對粗糙表面進(jìn)行修飾這兩個步驟。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷革新,一些添加劑、助劑的使用,使得制備工藝進(jìn)一步完善,進(jìn)而得到了一些簡單、可操作性強(qiáng)且產(chǎn)出成品性能良好的制備方法。近年來,超疏水表面憑借其特有的自清潔性及良好的生物相容性,受到了更加廣泛的關(guān)注。本文介紹了超疏水表面的理論
3、研究進(jìn)展,探討了多種新型制備方法及其功能性的應(yīng)用。1超疏水理論進(jìn)展浸潤性是固體表面重要的特性,接觸角是衡量固體表面浸潤性的主要指標(biāo)。最早描述液滴在固體表[1]面接觸角的是楊氏方程,說明了接觸角與固體表面能的關(guān)系。s,g=s,l+g,lcos(1)公式(1)s,g、s,l、g,l分別為固氣、固液、氣液間的界面張力。[2,3]Wenzel對楊氏方程進(jìn)行了修正,指出由于實(shí)際情況下材料表面粗糙不平,使得實(shí)際接觸面積要比理想表面積大,為此提出了Wenzel方程:cos=r(s,g-s,l)/g,l(2)公式(2)中:r=實(shí)際接觸面積/表觀接觸面積。與楊氏方程相比,cos=rc
4、os稱為表觀接觸角,為楊氏接觸角。顯然r>1,根據(jù)Wenzel方程可知,對于疏水表面來說粗糙的表面會更疏水。[4]Cassie等認(rèn)為水滴在粗糙表面接觸存在兩種界面:水滴與固體界面以及由于毛細(xì)現(xiàn)象水滴無法進(jìn)入微孔而形成空氣墊從而形成的水滴與空氣墊界面,并認(rèn)為水滴與空氣墊的接觸角為180,因此,提出粗糙表面的水滴的接觸角為:cos=f1cos-f2(3)式中,f1、f2分別為粗糙表面接觸面中液固界面的面積分?jǐn)?shù)與氣固界面的面積分?jǐn)?shù)。[4]Cassie等還研究了固體光滑表面不均一組分對疏水性的影響,認(rèn)為非均一組分表面的疏水性是各組分疏水性的加和,表觀接觸角與各組分本征接觸角i的關(guān)系如
5、下:cos=a1cosl+a2cos2(4)ai是構(gòu)成表面各組分的重量分?jǐn)?shù),a1+a2=1?；痦?xiàng)目:山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎勵基金(2007BS04007);山東輕工業(yè)學(xué)院博士科研啟動基金資助;作者簡介:范治平(1984-),男,碩士研究生;*通訊聯(lián)系人,Tel:053189631229;Email:liuwl@sdili.edu.cn.!106!高分子通報(bào)2010年11月判斷表面的疏水效果時,還應(yīng)考慮水滴是否容易滾落。前進(jìn)接觸角與后退接觸角之差稱為接觸角滯后,接觸角滯后越小說明液滴越易于滾落。接觸角滯后的研究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值,一般認(rèn)為接觸角滯后主要是
6、由表面粗糙度、化學(xué)不均等因素引起的。一個液滴要從傾斜表面滾落,重力必須克服表[5]面張力。Furmidge等提出了計(jì)算液滴在表面自發(fā)移動所需傾角的計(jì)算方程:mgsin=k!lv(cosr-cosa)式中m為液滴的重量,g為重力加速度,k為常數(shù),!為液滴與表面接觸直徑,a和r分別是前進(jìn)角和后退角,lv是氣液表面張力,是表面傾斜的角度。由前進(jìn)角和后退角的值可以計(jì)算出能使液滴滾動的表面最小傾角。由公式可以看出,接觸角的滯后越小,能使液滴發(fā)生滾動的最小傾角就越小,即液滴越容易從表面滾落。[6]Restagno等設(shè)計(jì)出一種全新的、可以方便地測出固體表面上液滴前進(jìn)角和后退角的測試方法,并
7、且具有極高的精確度。實(shí)驗(yàn)用全氟物質(zhì)修飾表面,以兩種不同的液體作為測試液,并且通過計(jì)算建模方式對該技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致的闡述,從而確定了接觸角的值。此技術(shù)方法簡單,有較強(qiáng)的可操作性,尤為適合低接觸角滯后的表面。2超疏水表面的制備方法超疏水表面的制備方法近年來也得到了很大的發(fā)展,常見的有溶膠凝膠法、化學(xué)蝕刻法、化學(xué)沉積法、模板法等等,人們利用這些方法得出了不少性能優(yōu)異的超疏水表面。2.1溶膠凝膠法[9]Fang等用
