現(xiàn)代仿生技術(shù)與紡織材料表面功能化

1、現(xiàn)代仿生技術(shù)與紡織材料表面功能化n從生物體優(yōu)異的功能中得到啟迪，通過模仿生物體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能和行為或從中得到啟示來設(shè)計和制備智能材料以解決所面臨的技術(shù)問題的認知方法，即為“仿生”。n仿生學(xué)是“模仿生物的科學(xué)”。生物？紡織？n基于仿生的思路，模仿生物體的結(jié)構(gòu)和特性，對紡織品進行仿生設(shè)計，制備具有生物體特殊功能（智能）的紡織品，稱為“仿生紡織品”。仿生紡織品的研究開發(fā)仿生紡織品研究開發(fā)舉例n模仿蛾的角膜結(jié)構(gòu)開發(fā)的超微坑纖維n模仿荷葉表面凹凸粗糙結(jié)構(gòu)開發(fā)的超拒水織物n模仿蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)開發(fā)的光顯色纖維（結(jié)構(gòu)生色纖維）n模仿植物葉子呼吸原理開發(fā)的有呼吸功能的紡織品n仿鯊魚皮織物n仿蜘蛛絲的研究色彩

2、類-深色模擬是飛蛾？它們是自然界的偽裝大師可見光與纖維的作用方式超微坑纖維的表面微細凹凸結(jié)構(gòu)Morpho didius閃蛺蝶色彩類-彩色模擬n蝴蝶？孔雀？它們都是自然界的染色家蝴蝶？孔雀？它們都是自然界的染色家Morpho didius翅瓣結(jié)構(gòu)電鏡照片翅瓣截面結(jié)構(gòu)圖入射光入射光干射干射薄片翼鱗粉支撐細條橫肋1.7m1.8m0.16m0.08m0.70m0.54m0.12m0.14m顯色纖維Morphotex層壓結(jié)構(gòu)紗層壓結(jié)構(gòu)紗示意圖示意圖PET與Ny層壓結(jié)構(gòu)紗紡絲示意圖 光顯色纖維截面電鏡照片n模仿昆蟲和鳥類翅膀的結(jié)構(gòu)開發(fā)的光顯色纖維（結(jié)構(gòu)生色纖維） 白色？藍色？這是仿生的奧秘n模仿荷葉表面凹

3、凸粗糙結(jié)構(gòu)開發(fā)的超拒水織物n荷葉效應(yīng)水滴在荷葉表面形成滾動的小球荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)荷葉表面塵土隨水滴一起滾落去除水溶性膠水也能從荷葉表面滾落荷葉表面上的油性污垢也能被水滴洗除疏水粗糙表面和光滑表面除塵方式比較示意圖n超拒水織物Microft-LotusMicroftMicroft結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)高密度棉織物耐綸塔夫綢普通高密度透濕拒水織物Microft.MicroftR 拒水性的耐洗拒水性的耐洗性性項目項目指標(biāo)指標(biāo)備注備注面密度/（g/m2）撕破強力/kg拒水性拒水性（滾動角）/耐水壓/mm透氣性/cm3/(cm2s)透濕性/g/(m224h)1352.5L0=100 L20=90L0=7 L20=9

4、600-7000.58000JISL 1096JISL 1096(擺錘法)JISL 噴淋法帝人法JISL 1079（低水壓法）JISL 1079JISL （杯子法）保護細胞氣孔孔植物葉子氣孔結(jié)構(gòu)葉子？花朵？它們是優(yōu)秀的服裝設(shè)計師彈性氣室彈性氣室微微 氣氣 候候泵泵 吸吸 作作 用用皮皮 膚膚Stomatex作用示意圖鯊魚皮膚表面denticles鱗片結(jié)構(gòu)Fastskin游泳服所用織物魚皮？人衣？它們是會飛的游泳衣Fastskin織物工作原理示意圖四噴絲孔六噴絲孔噴絲套管是蜘蛛？是紡絲?他們是自然界的化纖大師蜘蛛絲的性能：蜘蛛絲的性能： (1) 絲細強度高、柔韌性彈性好、耐沖擊力強。絲細強度高、

5、柔韌性彈性好、耐沖擊力強。 Nephila Clavipes 熱帶蜘蛛絲熱帶蜘蛛絲 直徑：直徑：0.741.16dtex；強度（；強度（6.48.2）N/dtex (2) 耐低溫：耐低溫：-40 仍有彈性。仍有彈性。 (3) 生物可降解。生物可降解。蜘蛛絲蛋白的合成蜘蛛絲蛋白的合成蜘蛛蛋白絲產(chǎn)生的三種途徑：蜘蛛蛋白絲產(chǎn)生的三種途徑：(1) 利用動物（奶?；蚰萄颍﹣砩a(chǎn)蜘蛛蛋白利用動物（奶牛或奶羊）來生產(chǎn)蜘蛛蛋白; (2) 利用微生物來生產(chǎn)蜘蛛蛋白；利用微生物來生產(chǎn)蜘蛛蛋白；(3) 利用植物來生產(chǎn)蜘蛛蛋白。利用植物來生產(chǎn)蜘蛛蛋白。是松果？是服裝？它們是一臺可調(diào)溫的服裝空調(diào)n納米技術(shù)的應(yīng)用 拒水、

6、防污自潔織物NanosphereTM無無Nanosphere結(jié)構(gòu)的織物表面結(jié)構(gòu)的織物表面Nanosphere結(jié)構(gòu)的織物表面結(jié)構(gòu)的織物表面NanospereTM 織物表面結(jié)構(gòu)織物表面結(jié)構(gòu)Nanosphere結(jié)構(gòu)織物表面水滴塵土Nanosphere結(jié)構(gòu)織物表面，塵土粘附于水滴上水滴滾落時，塵土也隨之沖去NanospereTM 織物的拒水防污功能織物的拒水防污功能n仿生學(xué)作為生物學(xué)和技術(shù)學(xué)相結(jié)合的學(xué)科，旨在技術(shù)方面模仿自然界生物體的功能，在生物學(xué)和技術(shù)之間架起一座橋梁，通過生物學(xué)原理的再現(xiàn)，尋找解決技術(shù)問題的方案。隨著仿生技術(shù)、納米技術(shù)等高新技術(shù)和紡織技術(shù)的融合，為仿生紡織品的開發(fā)提供了全新的途徑，

7、有極為廣闊的發(fā)展前景。是生物？是紡織?它們是紡織界的一次技術(shù)革命1、 引言n疏水疏水自然界的自然界的啟發(fā)啟發(fā)n水滴在荷葉，鵝毛水滴在荷葉，鵝毛等表面隨意地滾動。等表面隨意地滾動。1.1 問題的引出n潤濕潤濕固體表面的重固體表面的重要特征之一：要特征之一：疏水（不疏水（不浸潤）、親水（潤濕）浸潤）、親水（潤濕）;n疏水疏水( (憎水，拒水憎水，拒水) )：接：接觸角觸角大于大于90900 0; ;nYoung方程方程: LV cos=(SV- SL )n疏水表面：紡織品、自疏水表面：紡織品、自清潔玻璃、化工管道輸清潔玻璃、化工管道輸送等等送等等接觸角、表面張力與潤濕性能n低表面能（表面張力）物質(zhì)

8、利于形成疏低表面能（表面張力）物質(zhì)利于形成疏水表面水表面: :氟氟、硅類材料、硅類材料1.2 含氟聚合物與疏水性能n(1)(1)耐熱性耐熱性n(2)(2)耐化學(xué)藥品性耐化學(xué)藥品性n(3)(3)耐氣候性耐氣候性n(4)(4)憎水憎油性憎水憎油性n(5)(5)防污染性防污染性n(6)(6)抗粘性抗粘性n(7)(7)耐磨擦性耐磨擦性n(8)(8)光學(xué)特性光學(xué)特性n(9)(9)電學(xué)性能電學(xué)性能n(10)(10)流變性能流變性能n含氟聚合物的優(yōu)異性能：含氟聚合物的優(yōu)異性能：含氟高分子功能性的起因 HFCl范德華引力半范德華引力半徑徑/nm0.120.1350.18電負性電負性2.14.03.0CX鍵能鍵

9、能/ kJ.mol-1416.31485.34326.35CX極化率極化率/10-24cc0.660.682.58結(jié)構(gòu)對含氟聚合物疏水性能的影響聚十五氟聚十五氟庚烷基甲庚烷基甲基丙烯酸基丙烯酸乙酯乙酯聚合物聚合物結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)氟含量氟含量%表面張力表面張力（dyn/cm）聚偏二氟聚偏二氟乙烯乙烯-(-CH2CF2-)-59.325 5911CH2C(CH3) C OO CH2CH2C7F15性能？成本？n氟單體（丙烯酸全氟烷基乙基酯）很昂氟單體（丙烯酸全氟烷基乙基酯）很昂貴，產(chǎn)品成本高；貴，產(chǎn)品成本高；n使用活性聚合制備嵌段共聚物只需要很使用活性聚合制備嵌段共聚物只需要很少的氟單體用量就可以得到很好

10、的拒水少的氟單體用量就可以得到很好的拒水拒油效果拒油效果？2、氟丙烯酸酯共聚物的疏水性能n2.1 2.1 氟丙烯酸酯兩嵌段共聚物的制備氟丙烯酸酯兩嵌段共聚物的制備n2.2 2.2 氟丙烯酸酯兩嵌段共聚物的表面性能氟丙烯酸酯兩嵌段共聚物的表面性能n2.3 2.3 氟丙烯酸酯嵌段共聚物與無規(guī)共聚物氟丙烯酸酯嵌段共聚物與無規(guī)共聚物表面性能比較表面性能比較n2.4 2.4 氟丙烯酸酯乳液聚合及其表面性能氟丙烯酸酯乳液聚合及其表面性能2.1 ATRP2.1 ATRP法制備含氟嵌段共聚物法制備含氟嵌段共聚物n溶劑：環(huán)己酮溶劑：環(huán)己酮n引發(fā)劑：引發(fā)劑：-溴代異丁酸乙酯溴代異丁酸乙酯 n催化劑催化劑/ /配位

11、劑：配位劑：CuBr/CuBr/五甲基五甲基二乙基三胺二乙基三胺n氟單體：丙烯酸全氟烷基乙基氟單體：丙烯酸全氟烷基乙基酯酯CHCH2 2=CHCOOCH=CHCOOCH2 2CHCH2 2(CF(CF2 2) )7.67.6CFCF3 3n共聚單體：共聚單體：BMA/MA/MMABMA/MA/MMA等等2.2 2.2 含氟嵌段共聚物固體表面性能的研究含氟嵌段共聚物固體表面性能的研究 n研究外部條件、氟嵌段長度（氟含量）、研究外部條件、氟嵌段長度（氟含量）、共聚鏈段長度等對表面性能的影響共聚鏈段長度等對表面性能的影響n表面性能的表征：表面性能的表征：接觸角、表面張力或表接觸角、表面張力或表面能面

12、能熱處理對嵌段共聚物表面性能的影響熱處理對嵌段共聚物表面性能的影響 02040608010012060708090100110Contact angle ( 0 )Annealing time(min)Annealing temperature is 120,the sample is BMA96FAEA10.2 熱處理熱處理t的影響的影響406080100120140708090100110Contact angle (0)Annealing temperature( 0C ) Annealing time is 30 min, the sample is BMA96FAEA10.2 熱處理

13、熱處理T的影響的影響B(tài)MABMA嵌段長度對接觸角的影響嵌段長度對接觸角的影響水在共聚物表面的接水在共聚物表面的接觸角觸角石蠟油在共聚物石蠟油在共聚物表面的接觸角表面的接觸角FAEA鏈段長度鏈段長度固定為固定為 2.0 BMAxFAEA2.0 水在共聚物表面水在共聚物表面的接觸角的接觸角石蠟油在共石蠟油在共聚物表面的聚物表面的接觸角接觸角 FAEA FAEA嵌段長度對接觸角的影響嵌段長度對接觸角的影響B(tài)MABMA嵌段長度嵌段長度固定為固定為 9696BMA96FAEAx 含氟嵌段共聚物固體表面能的計算含氟嵌段共聚物固體表面能的計算Fowkes：界面間的吸界面間的吸引力應(yīng)為表引力應(yīng)為表面上不同分面

14、上不同分子間作用力子間作用力之和之和 pdlllv液體在固體表面的潤濕行為可以用液體在固體表面的潤濕行為可以用Yong氏方程來描述氏方程來描述 )(2)(21lvplpslvdldsCoseslsvlvCos 含氟嵌段共聚物固體表面能的計算含氟嵌段共聚物固體表面能的計算 SampleWF(%)(H2O)degree(C2H2I2)degreecmN/mdmN/mpmN/msvmN/mBMA96FAEM2.1c5.590662522.56224.56BMA96FAEM3.17.61058418.714.241.7315.97BMA96FAEM4.510.61068618.313.31.7015.

15、00BMA96FAEM8.217.01128815.412.960.9213.88BMA96FAEM10.119.71138815.013.040.8313.87含氟嵌段共聚物改性丙烯酸樹脂的表含氟嵌段共聚物改性丙烯酸樹脂的表面性能面性能 n含氟高分子被用作涂料表面改性劑，通過添加含氟高分子被用作涂料表面改性劑，通過添加含氟高分子可以獲得不潤濕表面，使其具有憎含氟高分子可以獲得不潤濕表面，使其具有憎水、憎油和防污能力。水、憎油和防污能力。n以丙烯酸酯類樹脂為基體樹脂，通過添加含氟以丙烯酸酯類樹脂為基體樹脂，通過添加含氟嵌段共聚物作為表面改性劑，研究含氟嵌段共嵌段共聚物作為表面改性劑，研究含氟嵌

16、段共聚物的加入對涂料防水、防油和防污能力的影聚物的加入對涂料防水、防油和防污能力的影響響 添加量對丙烯酸酯樹脂表面性能的影響添加量對丙烯酸酯樹脂表面性能的影響用極少量的改性的丙烯酸酯樹脂膜具有低表面性質(zhì)用極少量的改性的丙烯酸酯樹脂膜具有低表面性質(zhì) 01234708090100110contact anglewt ratio ( % )接觸角接觸角0123416182022242628303234rs(mN/m)wt ratio(%)表面張力表面張力2.3 2.3 嵌段共聚物與無規(guī)共聚物表面性能的比較嵌段共聚物與無規(guī)共聚物表面性能的比較 氟含量相近時，嵌段共聚物具有比無規(guī)共聚物更低的氟含量相近時

17、，嵌段共聚物具有比無規(guī)共聚物更低的表面張力，表面張力， 但二者差別并不大；但二者差別并不大；TypeSamplesWF(%)(H2O)degree(C2H2I2)degreedmN/mpmN/msmN/m5seriesMA156FAEA1.74.54906423.23.726.9MArF-54.82906323.83.627.416%seriesMA72FAEA3.515.51108414.70.815.5MArF-17%16.31098415.11.016.1含氟高分子的含氟高分子的XPSXPS分析分析 nX射線光電子能譜射線光電子能譜(XPS)，又名化學(xué)分析電又名化學(xué)分析電子能譜法（子能譜

18、法（ESCA）：定量研究固態(tài)聚合物）：定量研究固態(tài)聚合物表面組成結(jié)構(gòu)的最廣泛和最好的技術(shù)手段。表面組成結(jié)構(gòu)的最廣泛和最好的技術(shù)手段。n在在XPS譜中，各元素有其特征的電子結(jié)合譜中，各元素有其特征的電子結(jié)合能和對應(yīng)特征譜線能和對應(yīng)特征譜線 ；反過來可通過化學(xué)位；反過來可通過化學(xué)位移來推斷原子所處的化學(xué)環(huán)境。移來推斷原子所處的化學(xué)環(huán)境。SamplesWf(%)Take off angleComposition（%）F1s/C1sO1s/C1sCOFMA-5(MA72FAEA3.5)15.530041.0412.746.21.130.3190043.6514.641.70.960.34Calcula

19、ted values*0.310.39MArF-1716.330043.4814.242.30.970.3390045.6516.138.30.840.35Calculated values*0.330.39討論：討論：1. 出射角的影響出射角的影響 2.含氟鏈段的趨含氟鏈段的趨 表性表性 3. 無規(guī)共聚物和無規(guī)共聚物和嵌段共聚物的比較嵌段共聚物的比較信息匯總分析如下表所示：信息匯總分析如下表所示：出射角反映深出射角反映深度信息，越小度信息，越小越近表面越近表面Treatment conditionComposition(%)F1s/C1sO1s/C1sCFOwithout Ar etchin

20、g44.4837.4618.10.840.41after Ar etching 15 min.87.532.969.500.0340.11Calculated values650.3134.70.0050.53MAMA7272FAEAFAEA3.53.5改性改性(2wt%)(2wt%)丙烯酸酯樹脂膜的丙烯酸酯樹脂膜的XPSXPS分析分析1.利用利用XPS測得的表面氟元素含量接近純含氟嵌段共聚物；測得的表面氟元素含量接近純含氟嵌段共聚物；2. 是本體氟含量的是本體氟含量的100多倍；多倍；3.不同刻蝕時間反應(yīng)不同刻蝕時間反應(yīng)“深度深度”信息信息0.840.005大約大約7-10nm2.4 2.4

21、 含氟丙烯酸酯乳液聚合及其表面性能含氟丙烯酸酯乳液聚合及其表面性能n從憎水憎油性考慮，無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)的含從憎水憎油性考慮，無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)的含氟高分子制備簡單而且效果也很好；氟高分子制備簡單而且效果也很好；n全氟烷基丙烯酸酯類聚合物的最大應(yīng)用全氟烷基丙烯酸酯類聚合物的最大應(yīng)用領(lǐng)域就是作為領(lǐng)域就是作為紡織品的憎水、憎油整理紡織品的憎水、憎油整理劑劑。氟丙烯酸酯水性乳液氟丙烯酸酯水性乳液氟單體分散氟單體分散難難成本成本氟單體價格高氟單體價格高難難 點點氟單體含量的影響氟單體含量的影響010203040506060708090100110120130contact angle( 0 )content of

22、 FTM(wt%)n隨著氟單體氟單體隨著氟單體氟單體含量增加，聚合物含量增加，聚合物對水的接觸角逐漸對水的接觸角逐漸增大；增大；n氟丙烯酸酯用量達氟丙烯酸酯用量達到到3030左右，表面左右，表面性能變化趨于平緩性能變化趨于平緩核殼結(jié)構(gòu)含氟丙烯酸酯乳液聚合研究核殼結(jié)構(gòu)含氟丙烯酸酯乳液聚合研究n在相同氟單體含量的情況下，核殼結(jié)構(gòu)乳液成膜在相同氟單體含量的情況下，核殼結(jié)構(gòu)乳液成膜的疏水性能明顯優(yōu)于常規(guī)乳液的疏水性能明顯優(yōu)于常規(guī)乳液 20253035404550111112113114115116117118119120Contact Angle( 0 )content of FTM (wt%) co

23、re-shell normal3 3、超疏水材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能、超疏水材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能n3.1 3.1 超疏水？超疏水？n3.2 3.2 自然界中的超疏水現(xiàn)象自然界中的超疏水現(xiàn)象n3.3 3.3 超疏水的理論分析超疏水的理論分析n3.4 3.4 超疏水表面的制備方法超疏水表面的制備方法n3.5 3.5 超疏水材料的應(yīng)用與展望超疏水材料的應(yīng)用與展望3.1 3.1 超疏水超疏水? ?n自然界不會活性聚合，也不會乳液聚合，自然界不會活性聚合，也不會乳液聚合，卻可以有著比任何人工合成材料更好的疏卻可以有著比任何人工合成材料更好的疏水性能水性能所謂所謂“超疏水超疏水”的生命現(xiàn)象的生命現(xiàn)象. .

24、超疏水與靜態(tài)接觸角超疏水與靜態(tài)接觸角n疏水：接觸角疏水：接觸角大于大于90900 0。n超疏水：接觸角超疏水：接觸角大于大于1501500 0；疏水性的表征量疏水性的表征量n靜態(tài)接觸角：靜態(tài)接觸角： 越大越好越大越好n滾動角：滾動角： 越小越好越小越好如何獲得疏水如何獲得疏水/ /超疏水表面？超疏水表面？n固體表面的潤濕性能由化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同固體表面的潤濕性能由化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同決定：決定：n化學(xué)組成結(jié)構(gòu)是內(nèi)因：化學(xué)組成結(jié)構(gòu)是內(nèi)因：n低表面自由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效低表面自由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效果。果?，F(xiàn)代研究表明，光滑固體表面接觸角最大為現(xiàn)代研究表明，光滑

25、固體表面接觸角最大為1201200 0左右。左右。n表面幾何結(jié)構(gòu)有重要影響：表面幾何結(jié)構(gòu)有重要影響：n具有微細粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏（親）具有微細粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏（親）水表面的疏（親）水性能水表面的疏（親）水性能3.2 3.2 自然界的超疏水現(xiàn)象自然界的超疏水現(xiàn)象n19991999年，年，BarthlottBarthlott和和NeihuisNeihuis認為：認為：自自清潔的特征是由于清潔的特征是由于粗糙表面上的微米粗糙表面上的微米結(jié)構(gòu)的乳突以及表結(jié)構(gòu)的乳突以及表面蠟狀物的存在共面蠟狀物的存在共同引起的；同引起的；n乳突的平均直徑為乳突的平均直徑為59um59umn20

26、02年，國內(nèi)外科年，國內(nèi)外科學(xué)家提出微米結(jié)構(gòu)下學(xué)家提出微米結(jié)構(gòu)下面還存在納米結(jié)構(gòu)，面還存在納米結(jié)構(gòu)，二者相結(jié)合的階層結(jié)二者相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)才是引起表面超疏構(gòu)才是引起表面超疏水的根本原因。水的根本原因。n單個乳突由平均直徑單個乳突由平均直徑為為120 nm結(jié)構(gòu)分支結(jié)構(gòu)分支組成；組成；荷葉表面的微荷葉表面的微/ /納米復(fù)合結(jié)構(gòu)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)超疏水的蟬翼表面超疏水的蟬翼表面n蟬翼表面由規(guī)則排列的納米柱狀結(jié)構(gòu)組成納米柱的直徑大蟬翼表面由規(guī)則排列的納米柱狀結(jié)構(gòu)組成納米柱的直徑大約在約在80 nm80 nm，納米柱的間距大約在，納米柱的間距大約在180 nm180 nm規(guī)則排列納米突規(guī)則排列納米突起所構(gòu)建的

27、粗糙度使其表面穩(wěn)定吸附了一層空氣膜，誘導(dǎo)了起所構(gòu)建的粗糙度使其表面穩(wěn)定吸附了一層空氣膜，誘導(dǎo)了其超疏水的性質(zhì)，從而確保了自清潔功能，其超疏水的性質(zhì)，從而確保了自清潔功能，超疏水各向異性的水稻葉子超疏水各向異性的水稻葉子n水稻葉表面存在滾動的各向異性，水滴更容易沿水稻葉表面存在滾動的各向異性，水滴更容易沿著平行葉邊緣的方向流動著平行葉邊緣的方向流動超疏水的水黽腿超疏水的水黽腿n水黽，通過其腿部獨特的微納米復(fù)合階層結(jié)構(gòu)實水黽，通過其腿部獨特的微納米復(fù)合階層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超疏水和高表面張力現(xiàn)超疏水和高表面張力3 3、3 3 表面粗糙度對接觸角的影響理論研究表面粗糙度對接觸角的影響理論研究n通過對自然的仿生

28、研究，發(fā)現(xiàn)接觸角不僅與通過對自然的仿生研究，發(fā)現(xiàn)接觸角不僅與膜的表面能有關(guān)，而且還與膜表面形貌有關(guān)膜的表面能有關(guān)，而且還與膜表面形貌有關(guān) nWenzelWenzel模型；模型；nCassieCassie理論；理論；Cos*=r=粗糙表面下的液滴接觸角粗糙表面下的液滴接觸角與界面張力的關(guān)系與界面張力的關(guān)系Wenzel模型：粗糙表面的存在，使得實際上固液相的接觸面要大于表觀幾何上觀察到的面積，從而對親(疏)水性產(chǎn)生了增強的作用表觀表面面積實際表面面積LVSLSV ) -r(Cassie模型：氣墊模型 (由空氣和固體組成的固體界面)Cos= fcos+(1-f)cos180 = fcos+f-1f=

29、a/(a+b)f為水與固體接觸的面積與水滴為水與固體接觸的面積與水滴在固體表面接觸的總面積之比在固體表面接觸的總面積之比粗糙表面下的液滴接粗糙表面下的液滴接觸角與觸角與f 的關(guān)系的關(guān)系3.4 超疏水表面的制備n超疏水性表面可以通過兩種方法制備：超疏水性表面可以通過兩種方法制備：n一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)；一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)；n一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面1) 模 板 法n在纖維表面具有納米或微亞米孔的基板上，制造在纖維表面具有納米或微亞米孔的基板上，制造粗糙涂層。粗糙涂層。nJingJing等在多孔硅材料表面通過偶氮鏈引發(fā)，形成共價鍵等在多孔硅

30、材料表面通過偶氮鏈引發(fā)，形成共價鍵結(jié)合的全氟化聚合物自組裝單分子層，基本不改變多孔結(jié)合的全氟化聚合物自組裝單分子層，基本不改變多孔材料的表面粗糙度，得到粗糙的低表面能表面材料的表面粗糙度，得到粗糙的低表面能表面 。nGuoGuo等以多孔陽極氧化鋁為模板，采用模板滾壓法，制等以多孔陽極氧化鋁為模板，采用模板滾壓法，制備了聚碳酸酯備了聚碳酸酯(PC)(PC)納米柱陣列表面，通過納米柱陣列表面，通過PcPc分子的再取分子的再取向，在親水的向，在親水的PcPc上得到疏水的上得到疏水的PCPC表面表面 。nYamamotoYamamoto等用等用1H1H，1H1H，2H2H，2H2H全氟辛三氯甲硅烷全氟

31、辛三氯甲硅烷處理陽極氧化鋁表面，對水的接觸角為處理陽極氧化鋁表面，對水的接觸角為1601600 0，用氟化單，用氟化單烷基膦處理同一表面，對菜籽油的接觸角為烷基膦處理同一表面，對菜籽油的接觸角為1501500 0 。2) 粒子填充法n利用原位復(fù)合技術(shù)，在疏水性材料中引入納米或微納米粒利用原位復(fù)合技術(shù)，在疏水性材料中引入納米或微納米粒徑的粒子，改變涂層表面形貌，提高涂層的疏水性能徑的粒子，改變涂層表面形貌，提高涂層的疏水性能: :nMitsuyoshiMitsuyoshi等，采用平均粒徑等，采用平均粒徑5 nm5 nm的的TiO2TiO2納米粒子，分納米粒子，分散在全氟聚合物組分中，表面粗糙和低

32、表面張力的結(jié)果，散在全氟聚合物組分中，表面粗糙和低表面張力的結(jié)果，導(dǎo)致涂層表面具有超疏水性導(dǎo)致涂層表面具有超疏水性 。nThies Jens ChristophThies Jens Christoph等采用等采用10 nm10 nm15 nm15 nm活性無機納米活性無機納米二氧化硅粒子，以含丙烯酸的三甲氧基硅烷做偶聯(lián)劑，二氧化硅粒子，以含丙烯酸的三甲氧基硅烷做偶聯(lián)劑，氫醌一甲基醚為納米粒子在甲醇溶液中的懸浮穩(wěn)定劑，氫醌一甲基醚為納米粒子在甲醇溶液中的懸浮穩(wěn)定劑，加入少量水加入少量水( (納米粒子總量的納米粒子總量的1 17 7) )以利于硅烷的接枝以利于硅烷的接枝反應(yīng)。在反應(yīng)。在6060下，

33、回流攪拌下，回流攪拌3 h3 h以上。接著加入甲基三以上。接著加入甲基三甲氧基硅，繼續(xù)回流甲氧基硅，繼續(xù)回流1 h1 h，加入脫水劑三甲基原甲酸酯回，加入脫水劑三甲基原甲酸酯回流流1 h1 h以上。所得涂層對水的接觸角大于以上。所得涂層對水的接觸角大于1501500 0。n。3) 碳納米管膜的超疏水性研究n納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的接觸角；納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的接觸角；n納米結(jié)構(gòu)與微米結(jié)構(gòu)結(jié)合產(chǎn)生低滾動角；納米結(jié)構(gòu)與微米結(jié)構(gòu)結(jié)合產(chǎn)生低滾動角；碳納米管法(江雷等):1）納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的接觸角nA：正面正面SEM ，碳管緊密排列；碳管緊密排列；nB：側(cè)面?zhèn)让鍿EM，碳管的直徑約碳管的直徑約3055nmn接觸角接觸

34、角158.51.50，滾動角滾動角300PAN納米纖維n末端直徑為末端直徑為104.6nm104.6nm，纖維距離為纖維距離為513.8513.8納米，納米，n接觸角為接觸角為173.8173.81.31.30 0，滾動角大于滾動角大于30300 0。碳納米管法:2）納米結(jié)構(gòu)與微米結(jié)構(gòu)結(jié)合產(chǎn)生低滾動角n乳突直徑為乳突直徑為2.890.32um，距離距離9.612.92um，納米管平均直徑為納米管平均直徑為3060nm，n靜態(tài)接觸角約為靜態(tài)接觸角約為1600，滾動角約滾動角約30。表面微米結(jié)構(gòu)的排列影響滾動各項異性n水稻葉子表面的超疏水現(xiàn)象。水稻葉子表面的超疏水現(xiàn)象。b圖中，平行方向滾圖中，平行方向滾動角動角3-50，垂直方向滾動角垂直方向滾動角9-150。 Adamson和和Cast模型模型粗糙度因子粗糙度因子碳納米管表面粗糙度的表征n平滑的石墨表面接觸角為平滑的石墨表面接觸角為860。n當(dāng)當(dāng)r1580，計算得到計算得到f20.92；n r1660