超疏水表面的應(yīng)用(共4頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上超疏水表面的應(yīng)用 摘要：由于超疏水表面在自清潔表面、微流體系統(tǒng)和生物相容性等方面的潛在應(yīng)用,有關(guān)超疏水表面的研究引起了極大的關(guān)注。本文簡(jiǎn)述了超疏水表面的制備方法，歸納了超疏水表面的應(yīng)用,對(duì)超疏水表面研究的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：超疏水；制備；應(yīng)用表面的疏水性能通常用表面與水靜態(tài)的接觸角和動(dòng)態(tài)的滾動(dòng)角描述。超疏水表面是指與水的接觸角大于150°,而滾動(dòng)角小于10°的表面。該特殊表面在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有著極其廣闊的應(yīng)用前景,如玻璃表面的防霧、交通指示燈的自清潔、船體表面的潤(rùn)滑和紡織品的防污性能等。滾動(dòng)角的大小代表了一個(gè)薄膜表面的滯后程度。從理

2、論上講,真正意義的超疏水表面既要有較大的靜態(tài)接觸角,又要有較小的滾動(dòng)角1。1 常見(jiàn)超疏水表面制備方法人工制備超疏水表面雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展特別迅速，有效的制備方法也越來(lái)越多，主要有模板法、靜電紡絲法、相分離與自組裝法、溶膠-凝膠法、刻蝕法、水熱法、化學(xué)沉積與電沉積法、納米二氧化硅法、腐蝕法等。2 超疏水表面的應(yīng)用功能性應(yīng)用的眾多需求一直驅(qū)使著超疏水表面不斷研究發(fā)展?，F(xiàn)如今,在不同的領(lǐng)域涌現(xiàn)出一大批新型、高效的應(yīng)用方式2。2.1 微物質(zhì)能量領(lǐng)域超疏水表面的一個(gè)很重要的應(yīng)用即為其超疏水性的可逆性。超疏水可逆性原理可應(yīng)用于液滴或納米粒子的操縱和微米級(jí)毛細(xì)管引擎。Noso no vsky 等 通過(guò)光照

3、或電壓等增加下板表面能量到一定值,半月板下移形成毛細(xì)管橋,反則下半月板恢復(fù)到原來(lái)的位置。類似的原理可以用于微物質(zhì)的操控,例如,一個(gè)小液滴,當(dāng)承載基板為低表面能時(shí)被抬起；反則液滴被釋放。這樣就以實(shí)現(xiàn)表面能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)化,進(jìn)而促成多種能量之間的變換。此類實(shí)驗(yàn)的成功微物質(zhì)領(lǐng)域的能量應(yīng)用發(fā)展提供了廣闊的空間。2.2 燃料領(lǐng)域在傳統(tǒng)燃料輸送設(shè)備中,剩余燃料都會(huì)造成很大的浪費(fèi),與此相關(guān)的應(yīng)用是使用超疏油表面進(jìn)行燃料經(jīng)濟(jì)性操作, 即在設(shè)備內(nèi)制得超疏油表面,雖然所用的表面是超疏油性的,但其制備原理與超疏水表面制備方法極其類似, T uteja 等在油料輸送管道和儲(chǔ)油罐內(nèi)制備出以低表面能物質(zhì)修飾的粗糙表

4、面,同樣可以適用于低表面能油料流體的輸送。這一成果具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,其規(guī)模化應(yīng)用潛力巨大。2.3 光學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谝恍┕鈱W(xué)儀器來(lái)說(shuō),自清潔功能顯得尤為重要,于是涌現(xiàn)出相當(dāng)多有關(guān)于高透性、無(wú)反射性或高反射性超疏水表面的研究。為了得到表面的透光性,構(gòu)成表面粗糙結(jié)構(gòu)的顆粒就必須小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)。實(shí)際中制備高反射性能的超疏水表面是有比較大的難度的,從表面粗糙度的觀點(diǎn)來(lái)看,隨著表面粗糙度的增加,表面的疏水效果增加,但同時(shí)表面的反射性能會(huì)減弱。為解決此問(wèn)題, Shen 等通過(guò)控制銀鏡反應(yīng)制備出了具有超疏水性能的高反射銀鏡面。使得在保證高反射性的前提下,制備具有超疏水性能基面這一難題得以實(shí)現(xiàn)。2.4 生物醫(yī)

5、學(xué)領(lǐng)域生物領(lǐng)域中, 基材表面的生物粘附是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象,它包括在有機(jī)質(zhì)和界面之間多種不同的相互作用。Wang 等將制備的親水/ 超疏水的表面浸入蛋白質(zhì)溶液中時(shí),在超疏水部分形成空氣層,這個(gè)隔離墻就阻止了細(xì)胞與表面的接觸,形成了分離區(qū)域,而活細(xì)胞可以在親水性表面自由生長(zhǎng)。在臨床治療方面,超疏水表面表現(xiàn)出抗細(xì)胞粘附的特性。用一種部分氟化的且具有生物兼容性的聚氨基甲酸乙酯表面來(lái)測(cè)試對(duì)血小板的粘附性,實(shí)驗(yàn)表明, 相比于普通聚氨基甲酸乙酯表面對(duì)血小板強(qiáng)烈的粘附作用,具有超疏水性能的表面對(duì)血小板幾乎沒(méi)有任何粘附作用。2.5 金屬防銹領(lǐng)域前文曾提到Xi 等直接在銅板上制得粗糙表面,不經(jīng)任何化學(xué)處理就得超疏水

6、防銹表面的例子。這里還有一種金屬防銹的應(yīng)用, Liu 等將銅與肉豆蔻酸( 十四酸) 的乙醇溶液反應(yīng),在銅面形成超疏水涂層,二者之間粘著力較好,且經(jīng)過(guò)該法處理的銅,可以在海水環(huán)境中保持一個(gè)月。這一實(shí)驗(yàn)的成功,為海中作業(yè)的船舶、設(shè)備等提供了良好的防腐思路。2.6 電池中的應(yīng)用在電池系統(tǒng)中引入超疏水材料可以使電池效率和耐久性得到改善。Lifton 等開發(fā)了一種基于納米超疏水材料的新型電池。電池兩極均由修飾了超疏水涂層的硅質(zhì)材料構(gòu)成,這樣可以有效的將電解液和活性電極材料分隔開,防止副反應(yīng)的發(fā)生。在燃料電池系統(tǒng)中,以碳納米管作為陰極催化劑,上面裝載鉑納米顆粒,碳納米管的超疏水性可以促使移除在電極反應(yīng)中產(chǎn)

7、生的水,從而提升系統(tǒng)中的傳質(zhì)過(guò)程,進(jìn)而有效提高燃料電池效率。2.7 織物上的應(yīng)用擁有超疏水性的織物不僅要求高的憎水性,也同時(shí)要保證無(wú)毒、舒適的原則。曾經(jīng)有人嘗試將超疏水性面料編制成織物,例如Ma 等將聚己內(nèi)酯、苯乙烯和二甲基硅氧烷形成的嵌段聚合物制成纖維。因?yàn)檫@兩種纖維出色的憎水性和較低的滾動(dòng)角,使其成為紡織具有超疏水功能和自清潔功能織物的優(yōu)選備用材料。3 展望超疏水表面具有廣泛的應(yīng)用前景,近年來(lái)已成為材料研究的熱點(diǎn),已經(jīng)開發(fā)了眾多不同的制備原料和工藝方法;通過(guò)模型分析,對(duì)于表面微觀結(jié)構(gòu)與接觸角、滯后、浸潤(rùn)狀態(tài)之間的關(guān)系也有了更深入的認(rèn)識(shí),為制備具有特殊表面浸潤(rùn)性材料提供了一定的理論指導(dǎo)。但是

8、超疏水表面的實(shí)際應(yīng)用還未能普及,許多問(wèn)題還亟待解決。首先,簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的制備方法有待開發(fā)?，F(xiàn)有報(bào)道的大多數(shù)超疏水表面的制備過(guò)程中均涉及到用較昂貴的低表面能物質(zhì),如含氟或硅烷的化合物來(lái)降低表面的表面能,而且許多方法涉及到特定的設(shè)備、苛刻的條件和較長(zhǎng)的周期,難以用于大面積超疏水表面的制備3。其次,從實(shí)際應(yīng)用角度考慮,現(xiàn)有的超疏水表面的強(qiáng)度和持久性差,使得這種表面在許多場(chǎng)合的應(yīng)用受到限制。表面的微結(jié)構(gòu)也因機(jī)械強(qiáng)度差而易被外力破壞,導(dǎo)致超疏水性的喪失；另外在一些場(chǎng)合或長(zhǎng)期使用中表面也可能被油性物質(zhì)污染,使得疏水性變差。開發(fā)具有表面微結(jié)構(gòu)可修復(fù)的超疏水表面及實(shí)現(xiàn)超雙疏功能(既疏水又疏油) 可能是解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的最佳方案。此外,從理論分析角度考慮,對(duì)于表面微結(jié)構(gòu)的幾何形貌、尺寸與表面浸潤(rùn)性,尤其是與滯后直接聯(lián)系的定量研究還有待深入。最后,超疏水表面的應(yīng)用領(lǐng)域還有待拓展,尤其是在生物領(lǐng)域中。在超疏水表面上具有生物活性物質(zhì)如細(xì)胞、蛋白等的生長(zhǎng)、與表面間的相互作用等都將是值得研究的內(nèi)容。參考文