疏水性原理及機(jī)理分析

1、疏 水 性 原 理及 機(jī) 理 分 析固體表面對于液體的潤濕性(Wettability,又稱浸潤性)是材料的重要性能 之一。通常表面潤濕性用接觸角(Contanct Angle, CA) 9來衡量,它是指液體 在材料表面固、液、氣界面表面張力平衡的結(jié)果,一般來說如果液體能夠閭濕 材料表面，則0 e 稱為親水(Hydrophilic)或親油(Oleophilic)表面; 如果液體不能潤濕材料表面，則90eIS0,稱為疏水(Hydrophobic)或疏 油(OleophoMc)表面。近年來對材料表面潤濕性的研究.特別是對-些特異性 潤濕表面的研究引起了人們的極大興趣例如超疏水(Superhydrop

2、hobic)或超 疏油 CSuperoleophobic)表面(l50fl G 180a)和超親水 CSuperhydrophilic)或 超親油(SuperMe叩回犯)表面(B5)，由于其表面具有極強(qiáng)的親液或憎液能 力而有廣闊的應(yīng)用前景小叫另外，判斷固體表而的疏水性能時(shí)，還應(yīng)該考慮到 它的動(dòng)態(tài)過程，般用滾動(dòng)角(Sliding Angle)來衡量互當(dāng)材料的表面具有較高 的接觸角(15061SOU)和較低的液動(dòng)角(小于10)時(shí)，就可以具備優(yōu)越的 自清潔性能，并在學(xué)術(shù)領(lǐng)域和實(shí)際應(yīng)用中具備重要的價(jià)值4七超疏水材料由于其優(yōu)異的超疏水性能，在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都 有著極其廣闊的應(yīng)用前景.例如.

3、將其應(yīng)用到汽車 飛機(jī)等的擋風(fēng)玻璃，不僅可 以減少空氣中灰塵等污染物的污染.還能夠使其在高濕度環(huán)境或雨天保持干燥， 應(yīng)用在高降雪地區(qū)的室外天用上,可以防止積雪以保涯信號的暢通；用于微流體 裝置中，可以實(shí)現(xiàn)對流體的低阻力、無漏損傳送I用于水中運(yùn)輸工具或水下核潛 艇匕可以減少水的阻力，提高行駛速度；也可用它來修怖紡織品，做防水和防 污的服裝等m |七特別是近年來，由于工業(yè)油污水和水面漏油事故對環(huán)境造成的 危害，使得具有超疏水/超親油性能的仿生納米材料.成為研究用于油水分離的 熱點(diǎn)之一.大仍對超疏水的研究源于自然界中瞳物表面的白清潔性能.Barthlott W葉 等人通過觀察植物葉表面的微觀結(jié)構(gòu)，認(rèn)為

4、植物葉表面具有自清潔特征是由粗槌 表面上微米結(jié)構(gòu)的乳突以及表面蠟狀物的存在共同引起的基于這一思想，日前 制備超疏水涂層主要有兩條途徑：一是在粗糙表面修飾低表面能的物質(zhì)| :是在 低表面能物質(zhì)上構(gòu)造微納米級的粗鼬度.隨著現(xiàn)代工藝的發(fā)展.構(gòu)造規(guī)整的微納 米級的粗糙度已經(jīng)成為可能，研究人員在這些可控的粗糙表面上又得到了超疏油、 超親水和超親油表面這對材料表面潤濕性的研究是-大進(jìn)步，同時(shí)關(guān)了渡面的 潤濕原理也展開了激烈地探討，對目前占主導(dǎo)地位的兩種理姓模型.即Wenzel模型和Ca粕ie模型進(jìn)行了批判性地繼承1巧劇盡管如此，到目前為止還沒有哪一 種模型能準(zhǔn)確地推斷出接觸角的關(guān)系式，很多推導(dǎo)也都是基于各

5、自的實(shí)驗(yàn)，很難 適用于更為復(fù)雜的實(shí)際表面。物競天擇，適者生存。大自然中的植物和動(dòng)物經(jīng)過自然界數(shù)千年的演化與選 擇，生物界不僅保存了多樣性，而且還奇跡般的創(chuàng)造出各種各樣的特異功能。自 然界中一些植物如荷葉、銀澤菊葉、玫瑰花、水稻葉、花生葉等具有良好的疏水 性，當(dāng)水滴滴落到其表面上時(shí)，能夠迅速溶解其表面上的灰塵，而液體又難以浸 潤其表面，因而溶有灰塵的液體極易從這些植物葉的表面滾落，從而使其潔凈， 這就是所謂的“自清潔功能”，也即“荷葉效應(yīng)”1向：一些鳥類及家禽的羽毛、 蝴蝶的翅膀、水龜?shù)耐取⑽米拥难劬Φ纫簿哂辛己玫氖杷?，而且水滴在上面?現(xiàn)各向異性，能夠防水、防霧叫虬它們的獨(dú)特性能激起了人們強(qiáng)

6、烈的使用欲望， 人們模仿、利用它，并探索其具備超疏水性能的原因，科學(xué)家們通過模仿某些具 有特別功能的植物或動(dòng)物的微表面結(jié)構(gòu)，而制備出了具有類以結(jié)構(gòu)的超疏水波面。雨后的荷葉會(huì)顯得非常的清新和結(jié)凈，這是因?yàn)橛甑温湓诤扇~上后會(huì)自動(dòng)聚 集水珠，水珠的滾動(dòng)可以使荷葉表面上的塵土、污泥等污染物粘附在水珠上滾出 葉面，從而清除掉了荷葉上所吸附的污染物，使得荷葉能夠保持潔凈，如圖1-1 (a)所示。這是因?yàn)楹扇~具有優(yōu)異的超疏水性能和非凡的自清潔功能，這些特 性并被命名為“荷葉效應(yīng)”(Lotus Eftcct),并引起了研究工作者們極大的興趣。 二十世紀(jì)九十年代初，德國波恩大學(xué)生物學(xué)家Neinhuis和Bart

7、hfott借助掃描顯 微鏡(SEM)首次報(bào)道了荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)并得以解釋四均。如圖(b) 所示，荷葉的自清潔性能歸因于荷葉粗糙表面微米結(jié)構(gòu)的乳突和乳突表面覆蓋的 蠟質(zhì)晶體阪2氣在這些微小的凹凸之間，儲(chǔ)存著大量的空氣。當(dāng)水滴到荷葉上 時(shí)，由于空&層、乳突和蠟質(zhì)層的共同托持作用，使得荷葉與水的接觸角高達(dá) 161,滾動(dòng)角低至2。，水滴不能滲透并能自由滾動(dòng)泌J。Jiang閔在進(jìn)一步的研究后發(fā)現(xiàn)在荷葉表面微米乳突結(jié)構(gòu)上還存在納米結(jié)構(gòu)， 正是由于二者階層結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合使荷葉具備超疏水性質(zhì)和自清潔能力。也正是 成為此特殊的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)和其表面的蠟質(zhì)晶體共同作用，很大程度上減小了 荷葉表面與液體的接觸面積

8、，從而使荷葉上的灰塵、粉塵和油脂等不易粘附在荷 葉表面而又易被滑落的水滴帶走。(a)(b)圖1-1網(wǎng) J)自清潔荷葉表面；(b)(a)(b)圖1-1網(wǎng) J)自清潔荷葉表面；(b)荷葉的SEM圖片:(c)自清潔銀澤菊葉表面：(d)銀澤菊葉的SEM圖片銀澤菊葉I圳是自然界中另-種疏水性能優(yōu)良的植物，在植物的表面具有凹 凸起伏的溝槽，其表面與水的接觸角可達(dá)到147,如圖1-1(C)所示。在圖1-1 (e)中，銀澤菊葉的表面由直徑約6 pm的彎曲纖維隨機(jī)排列組成，這些纖維是 由表皮層的單細(xì)胞或者多細(xì)胞結(jié)構(gòu)形成的，從次層結(jié)構(gòu)可以看到大量沿纖維軸向 的直徑約200 nm的溝槽網(wǎng)除了植物的葉片之外，許多昆蟲

9、，比如水沌、蝴蝶、蟬等的身體都具有超疏 水性部位|233，10水海的腿具有一種非凡的超疏水性能，可以使得它非常容易地 在水面上站立和行走，如圖l-2(a)所示。水沌每只腿可以在水面上產(chǎn)生152 dyn, 相當(dāng)于自身體重15倍的支撐力。江雷研究小組的研究結(jié)果如圖1-2 (b)所示， 水海具備的優(yōu)良疏水特性其實(shí)源于其腿上的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。掃描電鏡分析顯示 它的腿是由無數(shù)直徑在微米級別上的針狀的剛毛組成，而每個(gè)剛毛上面又有許多 精細(xì)的納米尺度級的凹槽，從而構(gòu)成了特殊的微納米復(fù)合階層結(jié)構(gòu)。因?yàn)榭諝鈺?huì) 附者在針狀剛毛空隙和剛毛上納米尺度的溝槽里，在其表而形成穩(wěn)定的氣膜從而 有效阻礙了水滴的浸潤，能夠具備超疏水特性獲得高的表面張力而能夠在水面上 快速行走網(wǎng).另外，水稻葉、芋頭葉的表面也具有