材料表面潤(rùn)濕性前沿綜述.doc

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1、材料表面潤(rùn)濕性前沿綜述潤(rùn)濕性是材料表面的重要特征之一。隨著對(duì)自然界中自清潔現(xiàn)象和潤(rùn)濕性可控表面的深入研究,制備無(wú)污染、自清潔表面的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。通常將接觸角小于90°的表面稱為親水表面(hydrophilicsurface),大于90°的表面為疏水表面(hydrophobicsurface),而超疏水指表面上水的表觀接觸角超過(guò)150°的一種特殊表面現(xiàn)象。超疏水表面在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪杏兄匾膽?yīng)用前景,引起了人們的普遍關(guān)注。超疏水表面已經(jīng)被廣泛用于天線、門窗防積雪,船、潛艇等外殼減小阻力,石油輸送管道內(nèi)壁、微量注射器針尖防止粘附堵塞,減少損耗,紡織品、皮革制品防水防污等

2、[1]。1.自然界中的疏水現(xiàn)象　　自然界中存在許多無(wú)污染、自清潔的動(dòng)植物表面,如荷葉、水稻、芋頭葉、蝴蝶、水黽腳等表面。自清潔表面可通過(guò)兩種途徑制備:(1)制備超親水表面,如利用紫外光誘導(dǎo)產(chǎn)生接觸角接近0°的超親水TiO2表面,這種材料已經(jīng)成功運(yùn)用于防霧、自潔的透明涂層,其機(jī)理是液滴在高能表面上鋪展形成液膜,再通過(guò)液膜流動(dòng),帶走表面污物而起到自潔的作用；(2)制備超疏水表面,對(duì)動(dòng)植物的研究發(fā)現(xiàn),自然界中通過(guò)形成超疏水表面從而達(dá)到自潔功能的現(xiàn)象更為普遍,最典型的如以荷葉為代表的多種植物葉子表面(荷葉效應(yīng))、蝴蝶等鱗翅目昆蟲的翅膀以及水鳥的羽毛等。這類超疏水表面除具有疏水的化學(xué)組分外,更

3、重要的是具有微細(xì)的表面粗糙結(jié)構(gòu)。如圖1a為荷葉表面的顯微結(jié)構(gòu),由微米尺度的細(xì)胞和納米尺度蠟狀晶體的雙層微觀結(jié)構(gòu)組成；圖1b為芋頭葉表面[2],分布了均勻的微/納米結(jié)構(gòu),大小為8～10μm,單個(gè)微凸體有許多納米結(jié)構(gòu)的堆積而成,切下表層分布了直徑為20～50nm針狀結(jié)構(gòu)納米微粒,其表面水接觸角和滾動(dòng)角分別為157.0°±2.5°；圖1c為蝶類翅膀上的微細(xì)結(jié)構(gòu),由100μm左右的扁平囊狀物組成,囊狀物又由無(wú)數(shù)對(duì)稱的幾丁質(zhì)組成的角質(zhì)層結(jié)構(gòu)；圖1d為水鳥羽毛的顯微結(jié)構(gòu),由微米或亞微米尺度的致密排列組成,具有較好的透氣性和疏水性。圖1幾種具有超疏水性能的生物表面（a);荷葉表面(b)芋頭表面;(

4、c)碟類表面;(d)水鳥表面2.潤(rùn)濕性的影響因素　　固體表面的潤(rùn)濕性由其化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)決定。固體表面自由能越大,越容易被液體潤(rùn)濕,反之亦然。因而,尋求和制備高表面自由能或低表面自由能的固體表面成為制備超親水和超疏水的前提條件,所以金屬或金屬氧化物等高能表面常用于制備超親水表面,而制備超疏水表面常通過(guò)在表面覆蓋氟碳鏈或碳烷鏈降低表面能。　　Nakajima等通過(guò)含氟聚合物制備出不同表面粗糙度含TiO2的超疏水性薄膜,研究了接觸角、滑動(dòng)角和表面粗糙度三者之間的關(guān)系,在193°C下升華乙酰丙酮鋁化合物的方法制備了表面粗糙度平均為93nm±1.1nm的透明膜,其對(duì)水的接觸角為0°,氟硅烷

5、修飾后,水接觸角達(dá)152.5°±1.6°,并且發(fā)現(xiàn)這種薄膜的疏水性隨著表面粗糙度的減小而減小,當(dāng)薄膜的平均粗糙度為33nm時(shí),薄膜不具有超疏水性,與水的接觸角僅為120.3°,滑動(dòng)角隨著接觸角的增大而減小。Bico等認(rèn)為固體表面的疏水性除與固體表面的粗糙度有關(guān)外,還和液體實(shí)際與固體表面接觸的分?jǐn)?shù)有關(guān)。Dupuis等運(yùn)用晶格-玻爾茲曼運(yùn)動(dòng)公式模擬表面具有排列整齊微突起的超疏水行為,發(fā)現(xiàn)接觸角隨著表面光刻度的增加而增大。Nakajima等[3]發(fā)現(xiàn),粗糙度相同的固體表面接觸角并不一定相同,因?yàn)楣腆w表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)固體表面的疏水性能有很大的影響,針狀結(jié)構(gòu)峰越高,接觸角約大?！　∫陨侠碚摵蛯?shí)

6、踐證明,將低表面能材料、表面適當(dāng)粗糙化以及微納米雙重結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合,是制備超疏水表面的有效途徑。3.表面微細(xì)結(jié)構(gòu)修飾隨著超疏水膜理論日臻成熟,人們認(rèn)識(shí)到超疏水膜不但受材料表面的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)控制,還為表面形貌結(jié)構(gòu)所左右。將含氟材料等低能表面能材料與適當(dāng)?shù)谋砻娲植诨袡C(jī)結(jié)合是獲取超疏水表面的最佳途徑。根據(jù)Wenzel及Cassie的公式推算,提高表面粗糙度必將增強(qiáng)表面疏水性能。因此,研究人員對(duì)表面粗糙化進(jìn)行了探索,并取得了可喜的進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn),膜表面的粗糙度對(duì)疏水性能有影響,親水膜在增加粗糙度后更親水,疏水膜則更疏水。而且,低表面能材料表面的接觸角隨著表面粗糙度和孔隙率的增加而遞增[4

7、]。因此,超疏水表面制備的最好方式就是設(shè)計(jì)好表面的微構(gòu)造。Barthlott和Neinhuis等通過(guò)觀察生物表面的微觀結(jié)構(gòu),認(rèn)為其自清潔特征是由粗糙表面上微細(xì)結(jié)構(gòu)的乳突以及表面蠟狀物的存在共同引起的。研究發(fā)現(xiàn),納米結(jié)構(gòu)對(duì)得到具有高接觸角的超疏水表面起著重要作用,如通過(guò)制備具有純納米結(jié)構(gòu)緊密排列的陣列碳納米管膜,納米管的排列基本與基底垂直、管徑均勻、平均外徑約60nm,ACNTs表面的水接觸角為158.5°±1.5°,經(jīng)氟硅烷修飾后,水和油的接觸角都大于16