超疏水材料的加工

1、納米粒子增強(qiáng)水凝膠 匯報(bào)人：張燦匯報(bào)人：張燦 導(dǎo)師：周應(yīng)山導(dǎo)師：周應(yīng)山目錄 目前研究?jī)?nèi)容目前研究?jī)?nèi)容3.目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2.研究水凝膠的目的研究水凝膠的目的1. 現(xiàn)階段研究進(jìn)展現(xiàn)階段研究進(jìn)展4超疏水材料的簡(jiǎn)介超疏水材料的簡(jiǎn)介 超疏水材料的概念： 表面的疏水性能通常用材料表面與水靜態(tài)的接觸角和動(dòng)態(tài)的滾動(dòng)角來(lái)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。 超疏水表面超疏水材料的簡(jiǎn)介超疏水材料的簡(jiǎn)介不同表面水滴接觸角界面狀態(tài)超疏水材料的簡(jiǎn)介超疏水材料的簡(jiǎn)介超疏水表面形成的原因固體表面的潤(rùn)濕性能由化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同決定： 化學(xué)組成結(jié)構(gòu)是內(nèi)因： 低表面自

2、由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效果。研究表明，光滑體表面接觸角最大為120左右。 表面幾何結(jié)構(gòu)有重要影響： 具有微細(xì)粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效地提高疏（親）水表面的疏（親）水性能。超疏水材料的簡(jiǎn)介超疏水材料的簡(jiǎn)介超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法制備原理一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面制備原理制備原理超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法主要方法主要方法模板法模板法等離子體等離子體法法溶膠溶膠-凝膠凝膠法法靜電紡絲靜電紡絲法法化學(xué)氣相化學(xué)氣相 沉積法沉積法1.模板法模板法 模板法也稱復(fù)制模塑法，自20世紀(jì)90年代提出以來(lái)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，復(fù)制

3、模塑技術(shù)也深入到超疏水表面的制備研究中，尤其是在仿生超疏水表面的復(fù)制中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 步驟： 1.復(fù)制模塑法是指先用一種預(yù)聚物A（一般為PDMS，有時(shí)也可采用溶液）復(fù)制出荷葉等超疏水植物葉片表面微結(jié)構(gòu)； 2.固化A并從荷葉表面剝離，得到負(fù)型結(jié)構(gòu)的軟模板B，然后以此軟模板為圖形，經(jīng)過(guò)二次復(fù)制最終得到與荷葉表面特征相似的仿荷葉微結(jié)構(gòu)。超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法復(fù)制模塑技術(shù)制備仿生超疏水表面的操作示意圖超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法2.等離子體法等離子體法等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體

4、狀物質(zhì)，尺度大于德拜長(zhǎng)度的宏觀電中性電離氣體，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)第四態(tài)。等離子體法原理：利用等離子體對(duì)表面進(jìn)行處理，獲得粗糙結(jié)構(gòu)，從而得到超疏水性的材料表面。優(yōu)點(diǎn)：快速、選擇性高、表面均勻；缺點(diǎn)：設(shè)備昂貴，且不利于大面積制備。超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法 McCarthy等在聚四氟乙烯 ( PTFE)存在下 , 用射頻等離子體刻蝕聚丙烯 ( PP)制備出粗糙表面。表面與水的前進(jìn)角 /后退角可達(dá) A /R = 172/169。利用射頻等離子體刻蝕法在不同刻蝕時(shí)間得到的聚丙烯掃描電子形貌圖: ( a) 0 min, (

5、 b) 30 min, ( c) 60 min, ( d) 90 min,( e) 120 min, ( f) 180 min超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法氧等離子體處理后的超疏水 PS納米珠陣列表面 Chen等利用納米球刻蝕的方法首先得到了排列整齊的單層聚苯乙烯 ( PS)納米珠陣列 ,再用氧等離子體處理以進(jìn)一步減小納米珠的尺寸從而得到粗糙表面 (圖 18)。在其表面覆蓋 20 nm厚的金膜并用十八硫醇(ODT)進(jìn)行修飾可以增強(qiáng)其疏水性。通過(guò)調(diào)整 PS納米珠的直徑 (440190 nm)可以控制表面接觸角的大小 (132 168 )。超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法3.化學(xué)

6、氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 原理：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。化學(xué)氣相沉積法是傳統(tǒng)的制備薄膜的技術(shù)。特點(diǎn)：該方法成本較高 ，一般用于一些特殊材料的制備。超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法 江雷等利用化學(xué)氣相沉積法在石英基底上制備了各種圖案結(jié)構(gòu)的陣列碳納米管膜, 結(jié)果表明 , 水在這些膜表面的接觸角都大于 160 , 滾動(dòng)角都小于 5 , 納米結(jié)構(gòu)與微米結(jié)構(gòu)在表面的階層排列被認(rèn)為是產(chǎn)生這種高接觸角、低滾動(dòng)角的原因。 利用 CVD法得到的陣列碳納米管膜的 SEM照片: ( a,b).蜂房結(jié)構(gòu) (不同放大倍數(shù) )

7、 , (C).島狀 , (d).柱狀超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法4.靜電紡絲法靜電紡絲法靜電紡絲：靜電紡絲就是高分子流體靜電霧化的特殊形式，此時(shí)霧化分裂出的物質(zhì)不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的距離，最終固化成纖維。特點(diǎn)：靜電紡絲法具有設(shè)備簡(jiǎn)單 , 可大面積快速制備，工藝可控等特點(diǎn) ,適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但它的一個(gè)較大缺點(diǎn)就是表面微結(jié)構(gòu)的可控性與均勻性比較差。超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法 江雷等以聚苯乙烯 ( PS)為原料 ,制備了一種具有新穎的多孔微球與納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水薄膜，其中多孔微球?qū)Ρ∧さ某杷云鹬饕饔?, 而納米纖維則交織成一個(gè)三維的

8、網(wǎng)絡(luò)骨架 ,“ 捆綁 ” 住多孔微球 , 增強(qiáng)了薄膜的穩(wěn)定性。利用電紡技術(shù)得到的復(fù)合結(jié)構(gòu) PS薄膜: ( ac) SEM圖 , ( d) 水滴的形貌圖 (接觸角為 160.4 )超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法5.溶膠溶膠-凝膠法凝膠法 溶膠一凝膠法就是采用含高化學(xué)活性組分的化合物作為前驅(qū)體，一定條件下，在液相中水解、縮聚，從而生成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠陳化而膠粒間緩慢聚合，最終形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠。 段輝等采用兩步酸堿催化溶膠一凝膠法合成了FRSi02PTFE復(fù)合涂層，測(cè)得該涂層的靜態(tài)接觸角能達(dá)到155。在掃描電鏡照片上能觀察到涂層表面的形貌與荷葉表面的微米與納米相結(jié)合的雙微

9、觀結(jié)構(gòu)極其類似。在其中的聚四氟乙烯(PTFE)增加了凝膠網(wǎng)絡(luò)體系的網(wǎng)絡(luò)模數(shù)，一定程度上防止了含凝膠材料在干燥過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞：另外，低表面能的醇溶性氟樹脂(FR)又有效降低了表面張力，同時(shí)對(duì)增大表面濕潤(rùn)角是有幫助的。超疏水材料的制備方法超疏水材料的制備方法超疏水材料的應(yīng)用超疏水材料的應(yīng)用新型超疏水材料的應(yīng)用將十分廣泛：新型超疏水材料的應(yīng)用將十分廣泛： 沙漠集水；沙漠集水； 遠(yuǎn)洋輪船船底涂料，可以達(dá)到防污、遠(yuǎn)洋輪船船底涂料，可以達(dá)到防污、防腐的效果；防腐的效果； 室外天線上，建筑玻璃，汽車、飛室外天線上，建筑玻璃，汽車、飛機(jī)擋風(fēng)玻璃上，可以防積雪，自清潔；機(jī)擋風(fēng)玻璃上，可以防積雪，自清潔； 冰箱、冷柜等制冷設(shè)備的內(nèi)膽表面冰箱、冷柜等制冷設(shè)備的內(nèi)膽表面上，上，凝聚水、結(jié)霜凝聚水、結(jié)霜 、結(jié)冰現(xiàn)象、結(jié)冰現(xiàn)象； 天然氣、石油管道內(nèi)壁