材料表面潤濕性及在材料工程中的意義

3/3材料表面潤濕性及在材料工程中的意義潤濕性是材料表面的重要特性之一，通過靜態(tài)接觸角來表征，影響潤濕性的因素主要是材料表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，主要通過表面修飾和表面微造型來轉(zhuǎn)變材料表面潤濕性。潤濕性已經(jīng)直接應(yīng)用到了生產(chǎn)和生活中，構(gòu)建超疏水表面和潤濕性智能可控表面是現(xiàn)階段的商量熱點，對于建筑、涂飾、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有重要的意義。潤濕是自然界中最常見的現(xiàn)象之一，如水滴在玻璃上的鋪展，雨滴對泥土的浸潤等等。潤濕性是材料表面的重要特性之一，并已經(jīng)成功運用到人類生活的各個方面，例如潤滑、粘接、泡沫、防水等。近年來，隨著微納米技術(shù)的飛速進展以及仿生學(xué)商量的興起，對于固體表面潤濕性的商量越來越引起了人們的重視，具有超疏水表面的金屬材料具有自清潔作用，從而提高其抗污染、防腐蝕的能力;而在農(nóng)藥噴霧、機械潤滑等方面卻又要求液體具有良好的親水性，所以對于材料表面潤濕性的商量在材料工程中具有重要的意義。為了調(diào)控材料表面的潤濕性，人們通過接枝、涂層、腐蝕等眾多方法從化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)兩個方面對材料進行了改性，并取得了良好的結(jié)果。1、潤濕性潤濕是指液體與固體接觸，使固體表面能下降的現(xiàn)象，常見的潤濕現(xiàn)象是固體表面上的氣體被液體取代的過程。例如在水潔凈的玻璃板上鋪展，形成了新的固/液界面，取代原有的固/氣界面，這個過程的完成與固體和液體的表面性質(zhì)以及固液分子的相互作用親密相關(guān)[1]。潤濕作用實際上涉及氣、液、固三相界面，在三相交界處自固-液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣-液界面的夾角叫接觸角，以θ表示，通常通過Young方程計算得到，該方程是商量液-固潤濕作用的基礎(chǔ)。一般來講，接觸角θ的大小是判定潤濕性好壞的判據(jù)。若θ=0，液體完全潤濕固體表面，液體在固體表面鋪展;0<θ<90°，液體可潤濕固體，且θ越小，潤濕性越好;90°<θ<180°，液體不能潤濕固體;θ=180°，完全不潤濕，液體在固體表面分散成小球。這是抱負表面的情況，并且也沒有考慮到重力的影響，然而對于實際表面，多數(shù)都是粗糙和不均勻的，還有表面污染的情況，影響接觸角的因素變得簡單?？煞譃椴牧媳砻姹旧淼挠绊懞屯饨绛h(huán)境的因素，而材料組成和結(jié)構(gòu)的因素處于主導(dǎo)地位。2、潤濕性的影響因素材料表面的潤濕性由表面原子或原子團的性質(zhì)和密積累方式所決定，它與內(nèi)部原子或分子的性質(zhì)及排列無關(guān)。有商量表明，材料表面的潤濕性受兩方面因素支配：化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)。化學(xué)組成對潤濕性的影響本質(zhì)上是表面能對潤濕性的影響。通過共價鍵、離子鍵或金屬鍵等較強作用結(jié)合的固體，它們具有高能表面，通過范德瓦爾斯力或(氫鍵)結(jié)合的分子固體，具有低的表面能。而固體的表面能越大，通常越容易被液體潤濕，反之亦然，所以無機固體較有機固體和聚合物易被潤濕。需要強調(diào)的是，從表面化學(xué)組成角度考慮，固體表面的潤濕性質(zhì)僅僅取決于表面最外層的原子或原子基團的性質(zhì)及排列情況。這是人們?yōu)檫m應(yīng)各種需要能進行表面修飾轉(zhuǎn)變固體潤濕性質(zhì)的一個基礎(chǔ)。微觀結(jié)構(gòu)對于表面潤濕性的影響本質(zhì)上是表面微觀幾何結(jié)構(gòu)和粗糙度的影響，通常具有至關(guān)重要的作用。微觀結(jié)構(gòu)對材料表面潤濕性的影響，目前已有兩種經(jīng)典理論可以對其進行分析和解釋，即Wenzel理論和Cassie理論。粗糙表面與液滴的接觸通常有以下兩種情況：完全潤濕時，液滴填充于粗糙表面上的凹坑，形成“潤濕表面”，這種接觸形式稱為潤濕接觸;不完全潤濕時，液滴不填充于粗糙表面上的凹坑而位于粗糙突起的頂部，形成“復(fù)合表面”，這種接觸形式稱為復(fù)合接觸。這兩種接觸形式定義了粗糙表面上液滴的兩種潤濕模式，即Wenzel模式和Cassic模式，分別對應(yīng)于wenzel理論和cassie理論。荷葉能夠“出淤泥而不染”，是由于荷葉表面上具有不易沾水的微米結(jié)構(gòu)的乳突，乳突表面上還有由表面蠟質(zhì)晶體形成的納米結(jié)構(gòu)[7];蝴蝶翅膀表面具有疏水性是由于其闊葉型或窄葉型鱗片的覆瓦狀排列;水鳥羽毛由于其數(shù)百微米長的細羽末端交叉排列數(shù)十微米長的尖刺狀小羽枝以及表面脂質(zhì)的共同作用，使其具有超疏水特性。人們對于這些自然現(xiàn)象的商量漸漸發(fā)現(xiàn)了固體表面微觀結(jié)構(gòu)與潤濕性之間的關(guān)系。材料表面粗糙度的提高將增強表面疏水性能，表面的微納米結(jié)構(gòu)的的排列將直接影響水滴在材料表面的運動從而對潤濕性造成影響。還有商量表明通過轉(zhuǎn)變材料表面的幾何結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)粗糙表面上兩種潤濕模式的轉(zhuǎn)變，這也為人們通過表面刻蝕轉(zhuǎn)變固體潤濕性供應(yīng)依據(jù)。3、潤濕性在材料工程中的意義材料表面潤濕性已經(jīng)大量運用到了在材料工程中，例如：潤滑就是利用潤滑油對于物件表面的潤濕性形成一層保護膜，減小摩擦力的作用，達到潤滑的效果;對底材潤濕性好的涂料能夠更好的粘接和鋪展;各種防水材料也是利用了材料表面的疏水性等等?，F(xiàn)在隨著人類科學(xué)技術(shù)的迅猛進展和生活水平的日益提高，各行業(yè)對材料結(jié)構(gòu)和性能的要求越來越高。借助于材料表面微造型及表面修飾，來掌握材料表面的潤濕性能，從而實現(xiàn)材料表面防水、自清潔、潤滑等能力，就能夠很好地改善材料的綜合使用性能，從而提高材料的使用價值。3.1構(gòu)建超疏水表面超疏水表面在自清潔材料，微流體和無損液體傳輸?shù)群芏囝I(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，另外還可以用來防雪、抗氧化、防止電流傳導(dǎo)等，在工農(nóng)生產(chǎn)和人們的日常生活都具有極其寬闊的應(yīng)用前景。制備超疏水表面的方法主要分為兩類：一類是在固體表面修飾低表面能物質(zhì)降低其表面能，從而達到超疏水的效果。另一類是在固體表面構(gòu)建微米或/和納米粗糙結(jié)構(gòu)形成超疏水表面。主要使用的方法有化學(xué)氣相沉積法、溶膠凝膠法、模版擠出法、光刻蝕法等等。復(fù)旦高校依據(jù)荷葉的自清潔原理，在涂層表面形成類似荷葉的凹凸形貌，這種納米涂層既可以使灰塵顆粒附著在涂層表面呈懸空狀態(tài)，使水與涂層表面的接觸角大大增加，有利于水珠在涂層表面的滾落，進一步保證積累或吸附的污染性微粒在風(fēng)雨的沖刷下脫離涂層表面，達到自清潔效果，已在上海博物館、中央電視臺等項目中獲得示范應(yīng)用。中科院理化技術(shù)商量所成功地研制出一種用于多種材質(zhì)表面，同時具有抗菌、防霧、防霉、自潔和光催化分解污染物等多重功效的新型光觸媒涂料。這種涂料可在多種場合諸如汽車后視鏡、汽車玻璃、玻璃幕墻、道路交通指示牌、廣告牌、汽車和火車車身上使用，它能使物體表面在較長時間內(nèi)保持潔凈，顯著削減清洗次數(shù)和難度，降低清洗成本和危險性，提高雨雪天氣和寒冷季節(jié)的行車平安。3.2構(gòu)建潤濕智能響應(yīng)型表面特別潤濕性材料由于其獨特的理化性質(zhì)，在涂飾、防水和生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域有很高的潛在利用價值。構(gòu)建一種智能界面材料，能夠通過外界刺激來便利、精確地調(diào)控固體表面潤濕性，使之在超親水和超疏水狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，在材料工程上有重大的意義。這種多響應(yīng)材料在藥物運輸、傳感器和微流體開關(guān)等方面將會有寬闊的應(yīng)用前景。中科院化學(xué)商量所的江雷在這方面做了大量的商量。利用熱響應(yīng)性高分子實現(xiàn)了溫度掌握下超親水和超疏水之間的可逆轉(zhuǎn)換;成功制備紫外光掌握下超親水、超疏水可逆轉(zhuǎn)換的陣列氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了仿生的可控超疏水與超親水可逆“開關(guān)”納