超疏水材料研究報(bào)告進(jìn)展

1、. 超疏水材料研究進(jìn)展摘要:本文介紹了超疏水材料的性質(zhì)、應(yīng)用、轉(zhuǎn)變、制備以及存在的問題等。詳細(xì)介紹了超疏水材料在流體減阻中、抗腐蝕中、建筑防污耐水等領(lǐng)域、微流體控制方面的應(yīng)用和常用的幾種制備方法。關(guān)鍵詞:超疏水材料；超疏水應(yīng)用；制備1 引言近年來，超疏水材料引起了人們的普遍關(guān)注。所謂超疏水材料，就是指水在材料平面上的接觸角大于150的材料。超疏水材料的特性最初是在荷葉上發(fā)現(xiàn)的，荷葉外表的超疏水特性賦予了它們非常好的自清潔效應(yīng)，污染物很容易被水滴帶走1。有關(guān)超疏水的根底理論研究始于上世紀(jì)50年代，因其優(yōu)異的自潔性有望在國(guó)防、眾多工業(yè)領(lǐng)域和日常生活等方面有廣闊的應(yīng)用前景，研究工作備受各國(guó)重視。固體

2、外表的潤(rùn)濕性是由其化學(xué)組成和外表微觀構(gòu)造共同決定的。目前，通過對(duì)荷葉外表自潔性的仿生研究說明，因其層級(jí)微、納米結(jié)合的雙微觀構(gòu)造和覆蓋在上面的低外表能物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)而表現(xiàn)出完美的疏水性2。人們通常用液體在材料外表的接觸角來表征材料外表的潤(rùn)濕性。按照水滴在材料外表接觸角大小的不同，我們可以將材料進(jìn)展如下分類當(dāng)接觸角小于 90時(shí)，我們認(rèn)為這種材料是親水材料；如果水滴在材料外表的接觸角小于5，則這種材料是超親水材料，例如經(jīng)濃硫酸和雙氧水體積比為 7：3處理過的硅片，水滴在它的上面會(huì)立刻鋪展開，展示出超親水的性質(zhì)；當(dāng)材料外表接觸角大于 90時(shí)，我們認(rèn)為這種材料是疏水材料；如果材料的外表接觸角大于 150

3、則我們認(rèn)為這種材料是超疏水材料，例如我們前面所提到的荷葉，水滴在其外表的接觸角大于 150，不能穩(wěn)定停留，極易滑落，因而造就了它出淤泥而不染的性質(zhì)。如圖1所示，a為親水，b為疏水。 (a) (b)圖1 接觸角示意圖2 超疏水材料的用途2.1 超疏水材料在流體減阻中的應(yīng)用超疏水外表的一個(gè)突出的性質(zhì)是滑移效應(yīng)的出現(xiàn), 這一點(diǎn)已被廣泛認(rèn)可3。隨著疏水外表滑移效應(yīng)的發(fā)現(xiàn), 人們開場(chǎng)重視研究基于疏水外表滑移效應(yīng)所產(chǎn)生的減阻新技術(shù). Watanabe 等4研究了壁覆蓋氟烷烴改性的丙烯酸樹脂條紋的超疏水圓管的減阻性能, 實(shí)測(cè)的壓強(qiáng) - 速度剖面曲線說明, 當(dāng)雷諾數(shù)為 50010000 時(shí), 阻力下降達(dá) 14

4、%, 對(duì)應(yīng)的滑移長(zhǎng)度達(dá) 450m。Bechert 等5受到鯊魚表皮三維肋條構(gòu)造的減阻性能的啟發(fā), 從實(shí)驗(yàn)出發(fā)研究了具有類似構(gòu)造的新型機(jī)翼外表的減阻性能, 結(jié)果說明這種外表比光滑的機(jī)翼外表剪應(yīng)力降低 7.3%。Koeltzsch 等6研究了具有分叉型肋條構(gòu)造的管道壁外表的減阻性能, 以及不同肋條構(gòu)造的影響效果, 這為輸油管道壁的減阻方法提供了新思路。王家楣等7從船首底部噴氣生成微氣泡出發(fā)研究了不同雷諾數(shù)、不同微氣泡濃度下的減阻試驗(yàn), 為微氣泡減阻技術(shù)的應(yīng)用提供了依據(jù)。徐中等8采用標(biāo)準(zhǔn) - 湍流模型對(duì)凹坑形外表在空氣介質(zhì)中不同條件下的流動(dòng)進(jìn)展了模擬, 得到的最大減阻率到達(dá) 7.2%. 2.2超疏水

5、材料在抗腐蝕中的應(yīng)用通過超疏水膜技術(shù)在金屬外表形成一層超疏水性的膜層，可以有效地增強(qiáng)金屬外表阻抗、降低腐燭電流密度，使平衡腐燭電位向正方向移動(dòng)，提高金屬的防腐能力。超疏水膜技術(shù)應(yīng)用于金屬防腐已有大量研究。濤9在銅、鍋及鐵鍋金屬間化合物外表制備出超疏水薄膜,電化學(xué)測(cè)試擬合數(shù)據(jù)顯示,超疏水外表對(duì)于銅、鍋、鐵招金屬間化合物的緩燭效率可分別到達(dá)99%, 97%和86%。通等10在金屬招外表制備了一層穩(wěn)定的近似珊瑚狀的超疏水膜,海水的接觸角大于150, Yansheng Yin等11在錯(cuò)樣品外表制備了接觸角為154的超疏水外表。電化學(xué)測(cè)試說明,超疏水膜顯著地降低了腐蝕電流密度、腐燭速率和雙電層電容。2.

6、3超疏水材料在建筑防污耐水等領(lǐng)域的應(yīng)用12建筑物外表的污染主要是由于空氣中微小顆粒的粘附和雨!雪等的覆蓋污染超疏水材料因其獨(dú)特的疏水性，在建筑物外墻!玻璃及金屬框架等的防水!防雪和耐沾污等方面均有廣泛的應(yīng)用前景，可大大降低建筑物的清潔及維護(hù)本錢，使得建筑物能長(zhǎng)久保持亮麗的外觀目前，超疏水外表材料在建筑防污染方面的產(chǎn)品主要是涂層及防護(hù)液等，如中科賽納技術(shù)采用納米合成技術(shù)制備的納米超疏水自清潔玻璃涂層該涂層一般為無色透明!無毒!無污染結(jié)實(shí)度高且具有自清潔!防結(jié)冰!抗氧化等功能德國(guó)STO公司同樣根據(jù)荷葉效應(yīng)原理開發(fā)了有機(jī)硅納米乳膠漆。2.4超疏水材料在微流體控制方面的應(yīng)用超疏水材料外表所具有的不浸潤(rùn)

7、性及低外表粘滯力，使其在微流體控制應(yīng)用方面也有十分出色的表現(xiàn)。比方控制微液滴的運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)，并以此制造微液滴控制針頭，使得在實(shí)驗(yàn)或者生產(chǎn)過程中對(duì)液體滴加計(jì)量能夠準(zhǔn)確控制，實(shí)驗(yàn)試劑的添加將更得心應(yīng)手。如果將這類技術(shù)運(yùn)用到諸如靜電噴涂領(lǐng)域，比方用超疏水材料制造噴漆噴膠等的噴頭，將會(huì)使噴涂的液滴更加均勻，霧化效果更好，可以運(yùn)用在對(duì)噴涂效果有特殊要求的場(chǎng)合另外如果以這類材料制作毛細(xì)管類的材料，將會(huì)使液滴的虹吸量更少，可以制造體積更小精細(xì)度更高的液體傳輸設(shè)備。3外表潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變響應(yīng)性材料使得人們能夠通過外界刺激來改變材料的各種性質(zhì)，在這里我們主要介紹通過外界刺激來智能地控制外表潤(rùn)濕性行為。外表濕潤(rùn)性的轉(zhuǎn)變

8、方法主要有電場(chǎng)誘導(dǎo)，應(yīng)力作用，光響應(yīng)，溫度響應(yīng)和pH 值響應(yīng)等。Lahnn教授首次利用帶有親水性端基的長(zhǎng)鏈烷烴在電場(chǎng)作用下的構(gòu)型變化，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)誘導(dǎo)的浸潤(rùn)性的轉(zhuǎn)變12。M.Berggren教授也進(jìn)展了由固體電解質(zhì)與電化學(xué)活性的導(dǎo)電聚合物相結(jié)合構(gòu)成的電潤(rùn)濕開關(guān)的研究13。應(yīng)化所的艷春教授研究小組14報(bào)道了三角形網(wǎng)構(gòu)造的聚酰胺膜，通過對(duì)此膜雙軸方向的拉伸和恢復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)從超疏水到超親水的可逆轉(zhuǎn)變。Fujishima教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組報(bào)道了在紫外光照射的條件下TiO2材料能夠產(chǎn)生同時(shí)超親水和超親油的性質(zhì)15。利用電化學(xué)、水熱合成等方法構(gòu)筑外表粗糙的SnO2、ZnO、TiO2、WO3和V2O5等光敏材

9、料，通過紫外光的照射，這些材料可以實(shí)現(xiàn)超親水和超疏水之間的可逆轉(zhuǎn)變。江雷教授16將含有這種高分子的共聚物接枝到了粗糙的硅片外表，從而實(shí)現(xiàn)了由溫度控制的超親水超疏水的可逆轉(zhuǎn)變。而如果將聚異丙基丙烯酰胺的共聚物接枝在平整的硅片外表，則它只能實(shí)現(xiàn)親水和疏水之間的轉(zhuǎn)化。Whitesides研究小組17首先報(bào)道了平滑外表上pH值響應(yīng)的潤(rùn)濕性行為，他們將極性有機(jī)官能團(tuán)，如羧基和氨基等修飾于低密度的聚苯乙烯外表，并測(cè)量了這些外表含有機(jī)酸和堿性基團(tuán)的接觸角隨pH值的變化。4 超疏水材料的制備人們發(fā)現(xiàn)材料外表的超疏水性質(zhì)是材料外表的化學(xué)組成及外表構(gòu)造共同作用的結(jié)果。化學(xué)所的江雷教授首次提出了二元協(xié)同作用這一概念

10、18。根據(jù)這一概念，超疏水外表通常需要經(jīng)由兩步獲得：(1)在材料的外表構(gòu)筑粗糙構(gòu)造；(2)在粗糙外表上接枝低外表能的試劑。基于這兩條根本原則，許多方法被用來構(gòu)建超疏水外表，其中最常用的制備手段有：層層組裝法、溶液浸泡法、電化學(xué)沉積法、模板法和氣相沉積法等。4.1層層組裝法大學(xué)俊奇教授的研究小組19報(bào)道了一種利用層層組裝技術(shù)將粒徑為220 納米的二氧化硅小球生長(zhǎng)到粒徑為 600 納米二氧化硅小球上的方法，整個(gè)體系為呈樹莓狀的二元納微分級(jí)構(gòu)造。這些樹莓狀的小球經(jīng)過疏水試劑接枝后，接觸角到達(dá)了 157，滾動(dòng)角小于 5。相反，對(duì)于單一粒徑的二氧化硅微球而言，經(jīng)同樣方法處理后，所得到的膜層的接觸角為 1

11、47，滾動(dòng)角為 30。4.2 溶液浸泡法Bell 教授利用簡(jiǎn)單的置換反響，將銅片或鋅片放入金或銀的鹽溶液中，由于在金屬活動(dòng)順序表中，銅和鋅要比金和銀活潑，因此在銅片和鋅片的外表上會(huì)生長(zhǎng)出金或者銀的納米粒子，從而增加了材料外表的粗糙度，如圖2所示20，經(jīng)過疏水試劑的處理后，外表接觸角可以到到達(dá) 180。圖2以上方法是通過兩步來實(shí)現(xiàn)超疏水外表制備的：第一，在材料外表構(gòu)造粗糙構(gòu)造；第二，在粗糙構(gòu)造的外表接枝疏水試劑。建年教授的研究團(tuán)隊(duì)最近報(bào)道了一種通過溶液浸泡法一步制備超疏水材料的方法，這種方法將外表粗糙處理和外表接枝通過一步來完成：他們將外表光滑的銅片放在特定 Ag(NH3)2OH溶液中，經(jīng)過6個(gè)

12、小時(shí)的浸泡后，在銅片外表出現(xiàn)了類似于玫瑰花花瓣的構(gòu)造，測(cè)試其接觸角到達(dá)了156，如圖3所示21。圖34.3 電化學(xué)沉積法電化學(xué)沉積法是制備超疏水薄膜的常用方法，它通過氧化復(fù)原反響，在工件外表沉積出微納米構(gòu)造。通過調(diào)整反響時(shí)間、沉積電壓等參數(shù)，對(duì)沉積外表形貌進(jìn)展控制。Giovanni Zangari等22將Si基體處理為多孔硅片，再將Au離子沉積到多孔硅片基體上獲得樹枝狀的Au簇，經(jīng)過化學(xué)修飾后，得到了將近180的超疏水外表；Liu Hongtao等23在碳鋼外表，利用雙層納米復(fù)合電刷鍍方法制備出納米-C/Ni和納米-Cu/Ni復(fù)合雙層鍍層，經(jīng)過低能物質(zhì)修飾后，這種鍍層外表的水接觸角到達(dá)155.

13、5、滾動(dòng)角為5，并且這一超疏水外表具有優(yōu)異的抗腐蝕特性；Chen Zhi等24以乙醇溶液溶解的CoCl2為電解液在不銹鋼外表利用電沉積法一步制備出接觸角高達(dá)160的超疏水外表。4.4模板法清華大學(xué)的王曉工教授，通過揭起軟刻蝕的方法，制備了仿生的荷葉外表25。首先，他將聚二甲基硅氧烷模板的預(yù)聚體壓印在荷葉的外表，在適當(dāng)條件時(shí)預(yù)聚體聚合后被揭起，就得到了與荷葉外表完全相反的反相 PDMS 構(gòu)造。接著再以這種反相構(gòu)造為模板，在高分子 epo*y-based azo polymer(BP-AZ-CA)上面利用微接觸印刷技術(shù)再次壓印，得到與 PDMS 模板外表形貌剛好相反的高分子圖案而這種圖案與荷葉外表

14、的形貌完全一致，如圖 4 所示。測(cè)試其外表接觸角為 156。比照而言，平整的 BP-AZ-CA 高分子模板外表接觸角只有 82。圖44.5氣相沉積法江雷教授的研究小組報(bào)道了利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法在石英基底上制備了各種圖案構(gòu)造，如蜂房狀、柱狀和島狀的陣列碳納米管膜，如圖5所示26。結(jié)果說明，水在這些膜外表的接觸角都大于160，滾動(dòng)角都小于5，納米構(gòu)造和微米構(gòu)造在外表的階層排列被認(rèn)為是產(chǎn)生這種高接觸角，低滾動(dòng)角的主要原因。圖55制備超疏水外表材料存在的問題在制備超疏水外表過程中,往往要構(gòu)建微納米級(jí)的雙微觀構(gòu)造,正是由于微納米級(jí)的粗糙構(gòu)造再覆以低外表能物質(zhì)使得具有優(yōu)良的疏水性能。但是在實(shí)際生活

15、和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中其外表難免會(huì)受到摩擦、撞擊和沖壓等作用,導(dǎo)致粗糙構(gòu)造遭到破壞,從而使疏水性能受損。目前的制備方法大多都采用特殊的材料,或者特殊昂貴的設(shè)備,而且構(gòu)建的操作過程繁瑣。所有的這些因素都增加了超疏水外表構(gòu)建的生產(chǎn)本錢,也制約了大面積生產(chǎn)的可行性,很難適合工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此,尋求生產(chǎn)本錢低廉、操作步驟簡(jiǎn)單、設(shè)備易得的制備方法,是研究人員在未來要解決的幾大首要問題。6 總結(jié)本文介紹了超疏水材料的性質(zhì)、應(yīng)用、轉(zhuǎn)變、制備以及存在的問題等。詳細(xì)介紹了超疏水材料在流體減阻中、抗腐蝕中、建筑防污耐水等領(lǐng)域、微流體控制方面的應(yīng)用和常用的幾種制備方法。. 參考文獻(xiàn)徐先鋒，爍等. 非金屬超疏水材料的制備方

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