超疏水表面課件

超疏水表面姓名超疏水表面姓名1自然界中的兩個(gè)為什么？荷葉為什么“出淤泥而不染”？水黽為什么能練就“水上飛”？自然界中的兩個(gè)為什么？荷葉為什么“出淤泥而不染”？水黽為什么2超疏水表面我們先來認(rèn)識(shí)“超疏水表面”。以液體水為例，通常將與水接觸角小于90°的固體表面稱為親水表面，大于90°稱為疏水表面；特別地，與水接觸角大于150°的表面稱為超疏水表面。具有超疏水的特殊浸潤性表面是近年的研究熱點(diǎn)。超疏水表面我們先來認(rèn)識(shí)“超疏水表面”。以液體水為例，通常3超疏水理論靜態(tài)接觸角降低固體的表面自由能，能夠提高固體表面的疏水性。但是，僅僅依靠降低物質(zhì)表面自由能是無法達(dá)到超疏水的。實(shí)際上，固體表面通常并不平整，表面的粗糙結(jié)構(gòu)對接觸角有很大影響，因此必須對表面的粗糙因子加以考慮。超疏水理論靜態(tài)接觸角降低固體的表面自由能，能夠提高固體表4超疏水理論

Wenzel和Cassie對粗糙表面的浸潤性進(jìn)行了研究，并分別提出了各自的理論。假設(shè)粗糙表面具有凹槽和凸起結(jié)構(gòu)Wenzel理論Cassie理論液體完全滲入到所接觸的粗糙表面凹槽中每個(gè)凹槽內(nèi)截留有空氣，水無法滲透入凹槽內(nèi)，導(dǎo)致空氣滯留在表面凹陷處表面疏水時(shí)，增大固體表面粗糙度能增大表面的疏水性超疏水理論Wenzel和Cassie對粗糙表面的浸潤性進(jìn)5超疏水理論兩種模式的示意圖超疏水理論兩種模式的示意圖6超疏水理論兩種模式的關(guān)系對于一個(gè)具有相同粗糙度的表面，既有可能與表面發(fā)生濕式接觸處于Wenzel模式，也有可能與表面發(fā)生復(fù)合接觸處于Cassie模式。一般來說，如果固體表面疏水性較低，水滴容易滲入表面凹槽中而處于Wenzel模式；反之，如果固體表面疏水性高，水滴難以滲入到凹槽中將空氣擠壓出去而處于Cassie模式。超疏水理論兩種模式的關(guān)系對于一個(gè)具有相同粗糙度的表面，既7超疏水理論接觸角滯后僅僅以靜態(tài)接觸角作為表面超疏水的判斷依據(jù)不夠全面，必須對前進(jìn)接觸角（θA）和后退接觸角（θB）加以考慮。前進(jìn)角總是大于后退角，兩者的差值△θ=（θA-θB）稱為接觸角滯后。粗糙固體表面的接觸角滯后，不僅與表面粗糙度的大小有關(guān)，而且與表面的具體幾何結(jié)構(gòu)以及該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的三相接觸線有關(guān)。超疏水理論接觸角滯后僅僅以靜態(tài)接觸角作為表面超疏水的判斷依據(jù)8超疏水理論接觸角滯后

Johnson等考察了一系列具有不同粗糙度的蠟表面，當(dāng)粗糙度比較低時(shí)，隨著表面粗糙度的增加，接觸角滯后逐漸增大；但當(dāng)粗糙度超過一個(gè)臨界值后，接觸角滯后則逐漸減小。這一現(xiàn)象的發(fā)生，正是由于粗糙度的不斷增大導(dǎo)致水滴對表面的接觸方式由Wenzel模式逐漸向Cassie模式轉(zhuǎn)變的結(jié)果。超疏水理論接觸角滯后Johnson等考察了一系列具有不同9超疏水表面制備技術(shù)超疏水表面的制備有兩種途徑，一種是直接在低表面能材料表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)，所使用的材料主要是氟碳化合物、硅樹脂以及其它的一些低表面能有機(jī)化合物。該方法比較簡單，但受到材料的限制。另一種則是通過對具有高表面能基底材料如金屬、金屬氧化物、無機(jī)材料等表面進(jìn)行粗糙化，然后修飾低表面能的物質(zhì)（如氟硅烷）。這種方式豐富了超疏水表面的制備方法，拓寬了超疏水表面的應(yīng)用范圍。超疏水表面制備技術(shù)超疏水表面的制備有兩種途徑，一種是直接10超疏水表面制備技術(shù)

不管哪種途徑，構(gòu)建表面粗糙結(jié)構(gòu)是制備超疏水最為關(guān)鍵的一步，目前用于超疏水表面制作的粗糙化技術(shù)主要可以歸為以下幾類?；瘜W(xué)腐蝕激光刻蝕等離子體刻蝕光刻技術(shù)平版印刷術(shù)物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積水熱生長法電化學(xué)方法層層組裝技術(shù)刻蝕法沉積法模板法溶膠凝膠法相分離法靜電紡絲法納米顆粒法超疏水表面制備技術(shù)不管哪種途徑，構(gòu)建表面粗糙結(jié)構(gòu)是制備超11超疏水表面技術(shù)存在的問題超疏水表面的研究在近幾年獲得飛速發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出許多性能優(yōu)異的超疏水性表面，但在獲得廣泛應(yīng)用之前還有許多問題需要進(jìn)行深入研究。老化問題

超疏水表面在外界環(huán)境中容易受到灰塵、油性物質(zhì)等污染，逐漸失去超疏水性能。穩(wěn)定性問題超疏水表面具有精細(xì)的粗糙結(jié)構(gòu)，容易受加工和使用過程中的沖擊、摩擦等機(jī)械作用而受到損壞。制備成本問題現(xiàn)有的超疏水表面制備技術(shù)或者需要特殊的材料，或者需要昂貴的加工設(shè)備，或者需要復(fù)雜的操作過程，大部分方法都還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不適合用于大面積制備以適應(yīng)工業(yè)需求。超疏水表面技術(shù)存在的問題超疏水表面的研究在近幾年獲得飛速12超疏水表面技術(shù)的發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢產(chǎn)業(yè)化多功能化智能化解決現(xiàn)存問題，進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)對自然界動(dòng)植物進(jìn)行仿生光、電、磁、熱等外界刺激響應(yīng)超疏水表面技術(shù)的發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢產(chǎn)業(yè)化多功能化智能化解決現(xiàn)存13超疏水表面技術(shù)的潛在應(yīng)用潛在應(yīng)用門窗玻璃超疏水薄膜涂層紡織品微流體控制生物醫(yī)學(xué)超疏水表面技術(shù)的潛在應(yīng)用潛在應(yīng)用門窗玻璃超疏水薄膜涂層紡織品14揭秘“為什么”

荷葉“出淤泥而不染”是其表面具有超疏水性質(zhì)引起的，這種超疏水性質(zhì)是荷葉表面的微米/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)與其表面的植物蠟所產(chǎn)生的共同作用的結(jié)果。水黽的“水上飛”本領(lǐng)是利用其腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)，將空氣有效地吸附在這些同一取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性。揭秘“為什么”荷葉“出淤泥而不染”是其表面具有超疏水性質(zhì)15化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜氧化鋅簡介氧化鋅（ZnO）是一種具有直接帶隙寬禁帶Eg=3.37eV的半導(dǎo)體材料，結(jié)構(gòu)為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有較大的激子束縛能。一維ZnO以其獨(dú)特的光電和催化性質(zhì)在光電子器件、氣體及生物傳感器、高效催化劑、太陽能電池等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，所以超疏水性的研究對于將ZnO用于各種器件來說則非常重要。由于在光滑表面上，通過降低表面能最多只能使接觸角提高至大約120°，因此，人工制備超疏水表面的關(guān)鍵在于構(gòu)建合適的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)，而高度取向的ZnO納米棒就成了不錯(cuò)的選擇。化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜氧化鋅簡介氧化鋅（Zn16化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜氧化鋅納米棒的制備方法一維ZnO納米棒的制備方法有很多，常用的有水熱法、模板法等液相法，磁控濺射法和化學(xué)氣相沉積法等氣相法。Renee等和羅志強(qiáng)等用化學(xué)溶液沉積法在預(yù)先涂覆ZnO薄膜的Si基底上制備了高度取向的ZnO納米棒陣列，這種方法不需要復(fù)雜的試劑，而且工藝簡單，容易實(shí)現(xiàn)大面積成膜?；瘜W(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜氧化鋅納米棒的制備方法17化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜本實(shí)驗(yàn)采用該方法在玻璃襯底上制備了具有超疏水性的ZnO薄膜，并研究了氫氧化鈉濃度、反應(yīng)速率和沉積時(shí)間對ZnO納米棒的微觀結(jié)構(gòu)及潤濕性能的影響?；瘜W(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜本實(shí)驗(yàn)采用該方法在18化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純的乙酸鋅、硝酸鋅、氫氧化鈉、乙二醇甲醚、乙醇胺、無水乙醇和硅烷偶聯(lián)劑。采用溶膠凝膠法制備ZnO緩沖層溶液，C(乙酸鋅)=0.1mol/L，C(乙醇胺)=0.1mol/L，乙二醇甲醚為溶劑?；瘜W(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所用試19化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜實(shí)驗(yàn)步驟將清洗好的玻璃襯底采用旋涂工藝在勻膠機(jī)上制備ZnO緩沖層，轉(zhuǎn)速2000r/min。反復(fù)旋涂、干燥四次后，將玻璃襯底在400℃熱處理30min以形成ZnO緩沖層薄膜。配備硝酸鋅濃度為0.01mol/L的溶液作為化學(xué)沉積的溶液，NaOH濃度分別為0.35mol/L、0.4mol/L、0.45mol/L。將已涂覆緩沖層的玻璃襯底垂直插入沉積溶液中，在一定的加熱速度和磁力攪拌速度下升溫至75℃，繼續(xù)反應(yīng)一定的時(shí)間后，即可在玻璃襯底上獲得ZnO納米棒陣列膜。將所制得的ZnO薄膜分別經(jīng)去離子水淋洗后，在100℃下烘干。然后放入葵基三乙氧基硅烷/乙醇溶液(10mmol/L)中，24h后取出，用乙醇淋洗，在150℃加熱2h。化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜實(shí)驗(yàn)步驟將清洗好的玻璃襯底20化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜氫氧化鈉濃度的影響利用掃描電子顯微鏡表征ZnO薄膜的表面形貌。上圖是氫氧化鈉的濃度分別為0.35mol/L和0.45mol/L時(shí)，沉積40min后所得ZnO納米棒陣列膜的SEM照片，圖c、d分別是圖a、b的局部放大。由圖可以看出，C(NaOH)=0.35mol/L時(shí)所得的ZnO納米棒直徑較大，約為100nm左右；而C(NaOH)=0.45mol/L時(shí)所得ZnO納米棒變細(xì)變長，直徑約為50nm左右，且納米棒分布比較密。化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜氫氧化鈉濃度的影響利用掃描21化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜這是因?yàn)椋喝芤褐械腪n2+與NaOH反應(yīng)，生成ZnO22-；ZnO22-又水解生成ZnO，其反應(yīng)機(jī)理可分別用反應(yīng)式(1)、(2)來表示。由于溶液中待沉積物質(zhì)和成核點(diǎn)的界面張力取決于結(jié)構(gòu)的匹配程度，相同的晶體結(jié)構(gòu)可以獲得最佳的匹配和最低的勢壘，因而ZnO晶體在ZnO緩沖層薄膜上優(yōu)先成核，并外延生長成為納米棒。NaOH濃度增加，反應(yīng)式(1)向右邊進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)生高濃度的ZnO22-，因而使反應(yīng)式(2)向右方移動(dòng)，增加ZnO的濃度。ZnO的濃度越高，反應(yīng)所形成的晶核越多，使外延生長的ZnO納米棒更細(xì)更密。同時(shí)，NaOH的濃度越大，pH值越高，ZnO在c軸方向的極性生長能力越強(qiáng)，使形成的ZnO納米棒更長?；瘜W(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜這是因?yàn)椋喝芤褐械?2化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜反應(yīng)速率的影響上圖是不同加熱和攪拌速度下制備的ZnO納米棒陣列膜SEM圖。從圖中可以看出，控制化學(xué)反應(yīng)速度可以控制ZnO納米棒的形狀和尺寸。當(dāng)反應(yīng)速度較慢時(shí)（圖a、c），所得ZnO納米棒分布和尺寸比較均勻，呈規(guī)則的六邊形，直徑分布在30～70nm之間，說明其六角纖鋅礦的形狀比較完整；當(dāng)化學(xué)反應(yīng)速度較快時(shí)（圖b、d），ZnO棒長得更密，直徑更大，特別是棒的形狀及尺寸極不規(guī)則，部分呈拉長的六邊形，棒的斷面尺寸分布在60～500nm之間。

提高化學(xué)反應(yīng)速度會(huì)明顯加大ZnO棒與棒之間以及同一ZnO棒的不同方向的生長速率差異，降低棒陣列的規(guī)則性。化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜反應(yīng)速率的影響上圖23化學(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜沉積時(shí)間的影響上表列出不同沉積時(shí)間下ZnO納米棒陣列膜的靜態(tài)水接觸角。從表中可以看出，當(dāng)沉積時(shí)間為5min時(shí)，靜態(tài)接觸角只有146°；當(dāng)沉積時(shí)間高于10min時(shí)，化學(xué)溶液沉積法所制備的ZnO納米棒陣列膜的水接觸角均達(dá)到150°以上，皆為超疏水膜；當(dāng)沉積時(shí)間達(dá)到75min時(shí)，薄膜的水接觸角更高，達(dá)到了165°。這是由于納米棒之間存在空氣，沉積時(shí)間增加導(dǎo)致納米棒增長，加大了陣列膜與空氣的接觸面積以及陣列膜的表面粗糙度，使疏水性得到顯著提高。沉積30min后薄膜的疏水性增加緩慢，則可能是由于長的沉積時(shí)間下ZnO棒直徑的不斷增加造成部分納米棒相互連接而使空氣間隙呈減小趨勢?；瘜W(xué)溶液沉積法制備超疏水氧化鋅薄膜沉積時(shí)間的影響上