超疏水材料發(fā)展趨勢

超疏水材料發(fā)展趨勢

第一頁，共三十二頁。01引言03超疏水材料的制備方法02超疏水的基本原理04超疏水材料的應用05超疏水表面材料存在的問題及發(fā)展趨勢目錄第二頁，共三十二頁。一、引言

第三頁，共三十二頁。引言

在大自然中有著許多值得人類探索和學習的現(xiàn)象，人們把這類現(xiàn)象加以研究并運用到改善生產和生活中，統(tǒng)稱為仿生學。許多動植物的外表所具有的自清潔功能的現(xiàn)象，具有這類現(xiàn)象的最典型的例子就是出淤泥而不染的荷葉表面。自然界中許多動植物都具有這類功能，諸如鳥類的羽毛、水黽（min）的腿部以及蝴蝶的翅膀等。在宏觀上這些組織或者器官均表現(xiàn)出水的極難浸潤與掛壁。其原因在于它們的表面具有超疏水性的組成與結構，因此這類材料被稱為超疏水性材料。第四頁，共三十二頁。

超疏水表面在日常生活用品、公共建筑、乃至國防航空等方面有著廣泛的應用。另一方面，作為一種典型的界面現(xiàn)象，表面浸潤性在界面化學、物理學、材料學、界面結構設計以及其它交叉學科的基礎研究中也有極為重要的研究價值。由于其重要性，各行業(yè)、各領域的專家及科研人員都開始加入到這方面的研究和探索中，目的是將仿生學所得到的成果應用到改善我們的生產和生活中去，為大眾服務。第五頁，共三十二頁。

目前，人們通常用液體在材料表面的接觸角來表征材料表面的潤濕性。按照水滴在材料表面接觸角大小的不同，我們可以將材料進行如下分類:當接觸角小于90°時，我們認為這種材料是親水材料;如果水滴在材料表面的接觸角小于5°，那么這種材料是超親水材料，例如經濃硫酸和雙氧水(體積比為7:3）處理過的硅片，水滴在它的上面會立刻鋪展開，展示出超親水的性質;當材料表面接觸角大于90°時，我們認為這種材料是疏水材料;如果材料的表面接觸角大于150°，滾動接觸角小于10°，那么我們認為這種材料是超疏水材料，例如我們前面所提到的荷葉，水滴在其表面的接觸角大于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。我們研究的重點是超疏水表面。二、超疏水的基本原理第六頁，共三十二頁。

接觸角是表征固體表面疏水性優(yōu)劣的指標之一，通常情況下，在不完全潤濕性表面會形成一個冠形液滴，如圖所示。當氣、液、固三相接觸達到平衡時，在三相接觸的公共點處作液一氣界面的切線，我們把此切線與固一液界面的夾角稱為接觸角(θ)。如果固體表面的接觸角θ<90°，此表面描述為親水性表面，90°<θ<150°為疏水性表面，150°<θ<175°為超疏水表面，I75°<θ<180°為極端疏水表面，而當θ=180°的表面稱之為完全疏水表面。因此，用接觸角就能比較直觀、方便的來描述固體表面疏水性的優(yōu)劣。接觸角第七頁，共三十二頁。

上面所描述的接觸角所表征的是水滴在水平面上的表現(xiàn)，而現(xiàn)實中的平面往往不是水平的，更多的是斜面。水滴在傾斜表面上可能滾動或停滯，這種狀態(tài)可以用滾動角進行表征。所謂滾動角是指液滴在固體表面開始滾動時的臨界表面傾斜角度α(如圖所示)。若液滴開始滾動的傾斜角越小，表明此表面的超疏水性越好。

在傾斜表面，在水滴即將滾落下的臨界狀態(tài)下，水滴前部和尾部形成兩個不同的接觸角θa和θr。接觸角滯后值是這兩個角的差值，可以用于表征固體表面所呈現(xiàn)出的親－疏水狀態(tài)。液滴的滾動特性隨著該接觸角的滯后值的上升而減弱。綜上所述，固體與液體的相互浸潤性的好壞及其所表現(xiàn)出的親－疏水性是由接觸角和滾動角兩者共同表征。接觸角越大和滾動角越小說明材料表面的疏水性越強。滾動角第八頁，共三十二頁。01模板法03電化學方法02化學刻蝕法04化學氣相沉積法05其他方法三、超疏水材料的制備方法第九頁，共三十二頁。模板法

這種方法是一種來自于化學仿生學中制備納米材料的方法，它的基本思想就是以某種粗糙的微納米結構固體表面為基底，然后將易軟化材料在它的表面固化，之后就能得到和基底表面反向印相信息的粗糙納米結構;有的也以有機分子或它的自組裝體系作為模板劑，在某種溶劑中，經過范德華力、離子鍵與氫鍵等協(xié)同作用下，模板劑就會對游離在溶劑中有機前軀體進行一定的引導，這樣就能得到有序具有納米結構的粒子或薄膜。江雷等用模板法，合成了聚乙烯醇和聚丙烯腈的納米纖維序列膜，就是采用多孔氧化鋁作為模板，這種納米纖維序列膜接觸角值能高達173.8°。金美花等也是利用多孔氧化鋁為模板，有機高分子聚合物在多孔氧化鋁的模板中孔道的內壁上附著，得到了聚苯乙烯的納米陣列薄膜，這種膜的靜態(tài)接觸角達到162°。第十頁，共三十二頁。

模板法不需要復雜加工設備，模板可以使用多次，但也有不足之處，如復雜形狀的表面用模板法制備較困難且效率低;用PDMS復型得到的軟模板力學性能不佳，在使用過程中會出現(xiàn)坍塌、撕裂或粘連等現(xiàn)象，復型難以達到精確控制，無法復制精度小于50nm的微細結構。目前，用模板法制備超疏水表面以聚合物超疏水表面為主，實驗結果仍停留在實驗室階段，制備大面積超疏水表面的工作仍有一定難度。第十一頁，共三十二頁。化學刻蝕法化學刻蝕法是指用不同組成的刻蝕試劑對金屬或者合金表面進行侵蝕，利用晶格缺陷或合金不同成分耐腐蝕性差異進行選擇性刻蝕，通過控制刻蝕試劑濃度和刻蝕時間，得到合適的微觀粗糙結構，然后再用低表面能物質修飾，制備成超疏水表面。李艷峰等用鹽酸刻蝕鋁合金，刻蝕后鋁合金表面呈現(xiàn)出由矩形的凸臺和凹坑構成的復雜粗糙表面結構，經氟化試劑表面改性后，水滴接觸角在156°左右，滾動角為5°左右。BaitaiQian等利用beck's位錯刻蝕劑腐蝕Al,Zn,Cu多晶型金屬，再進行表面氟化從而制得最高接觸角156°，滾動角和滯后角都很小的超疏水表面。第十二頁，共三十二頁。

化學刻蝕法制備超疏水表面有較好的選擇性，并且可以對復雜形狀的物體表面進行刻蝕，效率高，成本低，但也有不足，如過度刻蝕對表面造成損傷，破壞基體材料的力學性能，刻蝕過程中會產生廢液，需要處理。第十三頁，共三十二頁。電化學方法

X.Zhang等采用電化學方法，聚合物電解質對硅片表面進行修飾以后，基底硅片表面上覆蓋了大量金的樹枝狀分形結構，制得表面具有較大接觸角及較小滾動角，這說明了被金樹枝狀結構覆蓋的表面具有非常好的超疏水性能。江雷等采用電紡技術，聚苯乙烯作為反應物，構建了一種類似某些生物的微納米雙微觀的的復合結構，生成了一層超疏水膜。SEM掃描照片中觀察到生成的納米纖維將多孔微球“捆綁”住，這樣不僅提高了結構的穩(wěn)定性，而且也模擬了荷葉的復合結構。第十四頁，共三十二頁。化學氣相沉積法

該方法制備成本比較高，特殊材料的制備可以運用氣相沉積法。YoshimitsuZ等采用化學氣相沉積法，使表而粗糙度在9.4~60.8nn范圍內，然后于其表面上用氟硅烷低表面能物質進行修飾，得到了透明的超疏水薄膜。該小組在實驗過程中還觀察到超疏水薄膜的表面不僅具有相同的聚集方式而且化學成分也很類似，改變超疏水表面物理形貌微構造時，該表面的靜態(tài)接觸角有著很大的差異。因此我們能從中得出結論，盡管粗糙度相似的固體表面，如果其表面形貌微構造存在很大的差異時，那么疏水性能也會因此差別較大。為此，研究人員對超疏水表面的物理形貌與微觀構造進行了大量的實驗，并試圖模擬生物表面的形貌與微觀構造，以期能獲得超疏水性能優(yōu)異的固體表面。第十五頁，共三十二頁。

江雷研究小組采用化學氣相沉積法構建了表面具有納米亞微米的雙微觀結構的Zn0薄膜，測得這種薄膜的靜態(tài)接觸角可高達164.3°，Zn0薄膜具有如此優(yōu)良的疏水性能更進一步印證了納米亞微米的雙微觀結構是構建超疏水表面的必要條件。該小組還通過反復實驗探究了Zn0薄膜超疏水性與親水性之間的可逆轉變。與此同時，他們還在石英基底上采用化學氣相沉積法構建了陣列碳納米管(ACNT)膜測得該膜表面的靜態(tài)接觸角為158.5°，如果對該膜用氟硅烷進行修飾后，碳納米管膜表現(xiàn)良好的超雙疏性(既疏水又疏油)，測得油和水的靜態(tài)接觸角分別為161°和171°。第十六頁，共三十二頁。其他方法

除了上述方法之外，還有相分離法、溶膠—凝膠法、層層組裝法、溶液浸泡法等。第十七頁，共三十二頁。四、超疏水材料的應用在超疏水表面及材料具有廣闊應用前景的驅動下，國內外研究人員都做了大量的研究工作。下面將具體探討超疏水表面及材料是如何通過對表面修飾來提高傳統(tǒng)材料的性能，以及通過改良材料使其具備了一些嶄新的附加功能。我們相信超疏水材料特別是具有超雙疏功能的一些材料應用前景定會愈加廣闊。超疏水材料主要利用其自清潔、耐玷污等生物仿生方面的特性進行開發(fā)和應用，在諸如軍工、農業(yè)微流體毛細自灌溉、管道無損運輸、房屋建筑以及各種露天環(huán)境下工作的設備的防水和防冰等方面有廣闊的前景。具體有以下幾方面。第十八頁，共三十二頁。

建筑物表面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。超疏水材料因其獨特的疏水性，在建筑物內外墻、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用前景，可大大降低建筑物的清潔及維護成本，使得建筑物能長久保持亮麗的外觀。目前，超疏水表面材料在建筑防污染方面的產品主要是涂層及防護液等，如中科賽納技術有限公司采用納米合成技術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、無污染牢固度高且具有自清潔、防結冰、抗氧化等功能。德國STO公司同樣根據(jù)荷葉效應原理開發(fā)了有機硅納米乳膠漆。江蘇大學吉海燕、陳剛等采用蝕刻法處理玻璃也制備了超疏水玻璃表面。在建筑防污耐水等領域內的應用第十九頁，共三十二頁。

據(jù)實驗觀察不論是在水面的滑行、跳躍還是快速掠過水黽都既不會滑破水面更不會浸濕腿部。因而也就被美譽為“池塘中的溜冰者”根據(jù)這一現(xiàn)象科學家經過論證得出水水黽特殊腿部微納米結構和水面間形成的“空氣墊”阻礙了水黽的浸潤,讓它們實現(xiàn)了自然界版的“水上漂”。據(jù)了解利用新型超疏水材料制成的超級浮力材料河以使船表面具有超疏水性并因此在其表面形成具體版的“空氣墊”改變船與水的接觸狀態(tài)防止船體表面被水浸濕進而使其在水中運行的阻力更小提高速度,節(jié)省了能源。研究人員表明交通工具的“水上飛”河以有效地提高交通工具的速度節(jié)省一定的能源肩可能也會順勢引起交通、能源領域的一次革新。在船舶提高浮力方面的應用第二十頁，共三十二頁。

天然氣的管道運輸因其傳輸距離遠,線路可控設備投入較簡單等優(yōu)勢已經成為陸上天然氣資源的主要輸送方式,但由于天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳和水等腐蝕性物質因而管道容易發(fā)生均勻腐蝕、坑蝕、電化學腐蝕、沖刷腐蝕等現(xiàn)象。由于管道內壁表面粗糙等原因天然氣的傳輸效率也較低。針對上述問題許多學者在這方面做了很多工作，例如在鋁及其合金表面上制備超疏水薄膜使其防腐能力明顯提高碳納米管粘接在基材鋁板表面以形成復合結構表面,然后用聚四氟乙烯修飾該復合表面上以形成一層超疏水PTFE膜。在國外許多鋁、鐵、碳鋼等金屬以及合金表面都會用超疏水膜來修飾,以提高其防腐蝕性。該方法可有效地運用在如管道氣體、液體運輸減阻等多方面對降低運輸能耗提高輸送效率有很大幫助未來有較大的開發(fā)應用空間。在管道運輸方面的應用第二十一頁，共三十二頁。

采用靜電紡絲法或者在材料表面進行處理可制備具有超疏水性的各種微納米結構纖維。這類材料因具有超疏水性能，可用于制造防水薄膜、疏水濾膜以及防水透氣薄膜等，或者使織物因疏水性能而具有防水、防污染、防灰塵等新功能。如美國NANOTEX公司采用納米技術開發(fā)的Nano-care功能型面料;德國巴斯夫(BASF)公司也將荷葉效應應用到紡織品上，開發(fā)出具有超疏水自清潔功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。在織物及過濾材料方面的應用第二十二頁，共三十二頁。在微流體控制方面的應用

超疏水材料表面所具有的不浸潤性及低表面粘滯力，使其在微流體控制應用方面也有十分出色的表現(xiàn)。比如控制微液滴的運動和流動，并以此制造微液滴控制針頭，使得在實驗或者生產過程中對液體滴加計量能夠精確控制，實驗試劑的添加將更得心應手。如果將這類技術運用到諸如靜電噴涂領域，比如用超疏水材料制造噴漆噴膠等的噴頭，將會使噴涂的液滴更加均勻，霧化效果更好，可以運用在對噴涂效果有特殊要求的場合。另外如果以這類材料制作毛細管類的材料，將會使液滴的虹吸量更少，可以制造體積更小精密度更高的液體傳輸設備。第二十三頁，共三十二頁。其他應用

除了上述應用之外，超疏水材料還可以用于油水分離、電池和燃料電池的應用、日用品包裝、生物醫(yī)學、電子設備的防潮涂層等領域。第二十四頁，共三十二頁。五、超疏水表面材料存在的問題及發(fā)展趨勢超疏水材料在實際工農業(yè)生產及日常生活中都具有非常廣闊的應用前景，相信在未來的幾十年里將會有巨大的潛在市場從而帶來可觀的經濟效益?；谝陨显?，超疏水表面材料的制備引起了國內外廣泛的關注，已成為近些年來材料學及表面科學領域的研究熱點之一。研究人員己經研發(fā)出了多種超疏水表面材料的制備技術，同時也制備出了多種疏水性能優(yōu)良的超疏水表面。然而，這些表面能夠在工農業(yè)生產中獲得廣泛的應用還有很長的路要走，還有許多問題需要進一步的探究。第二十五頁，共三十二頁。存在的問題1、穩(wěn)定性在制備超疏水表面過程中，往往要構建微納米級的雙微觀結構，正是由于微納米級的粗糙結構再覆以低表面能物質使得具有優(yōu)良的疏水性能。但是在實際生活和工農業(yè)生產中其表面難免會受到摩擦、撞擊和沖壓等作用，導致粗糙結構遭到破壞，從而使疏水性能受損。另外，制備的許多超疏水表面材料與基底之間粘附力很差，容易脫落，因而失去疏水性喪失了它的應用價值。第二十六頁，共三十二頁。

2、老化問題超疏水表面長期暴露在實際的生活、生產環(huán)境(如高溫、日光及潮濕等環(huán)境)中，也往往要遭受油污、灰塵等污染，導致了表面不斷老化從而逐漸失去疏水性能。在清洗其表面時，又容易破壞其粗糙的雙微觀結構。迄今，還沒有較科學、合理的方法解決超疏水表面在應用過程中的老化問題。第二十七頁，共三十二頁。

3、生產成本目前的制備方法大多都采用特殊的材料，或者特殊昂貴的設備，而且構建的操作過程繁瑣。所有的這些因素都增加了超疏水表面構建的生產成本，也制約了大面積生產的可行性，很難適合工業(yè)生產的要求。因此，尋求生產成本低廉、操作步驟簡單、設備易得的制備方法，是研究人員在未來要解決的幾大首要問題。第二十八頁，共三十二頁。發(fā)展趨勢1、產業(yè)化從制約大規(guī)模生產超疏水表