超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用PPT教案課件

會(huì)計(jì)學(xué)1超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用超疏水的概念表面的疏水性能通常用表面與水靜態(tài)的接觸角和動(dòng)態(tài)的滾動(dòng)角描述。超疏水表面是指與水的接觸角大于

150

°，而滾動(dòng)角小于10°的表面。接觸角通常是用接觸角測(cè)定儀來獲得。靜態(tài)接觸角：

越大越好滾動(dòng)角： 越小越好疏水性的表征量22014/3/28第1頁/共23頁不同表面水滴接觸界面狀態(tài)32014/3/28第2頁/共23頁自然界的啟示自然界不會(huì)活性聚合，也不會(huì)乳液聚合，卻可以有著比任何人工合成材料更好的疏水性能——所謂“超疏水”的生命現(xiàn)象。32014/3/28第3頁/共23頁蟬翼表面的超疏水結(jié)構(gòu)蟬翼表面由規(guī)則排列的納米柱狀結(jié)構(gòu)組成．納米柱的直徑大約在80nm，納米柱的間距大約在180nm．規(guī)則排列納米突起所構(gòu)建的粗糙度使其表面穩(wěn)定吸附了一層空氣膜，誘導(dǎo)了其超疏水的性質(zhì)，從而2014/3/確確28

保了自清潔功能。5第4頁/共23頁壁虎的層次結(jié)構(gòu)的腳趾頭。腳趾是由成千上萬的絲綢和每一個(gè)絲綢包含的幾百個(gè)細(xì)微的鏟子結(jié)構(gòu)。(a,b)掃描電子顯微圖和(c)特征的鏟子。壁虎腳趾的微觀結(jié)構(gòu)2014/3/286第5頁/共23頁2014/3/28超疏水的荷葉和表面結(jié)構(gòu)（a)球形的水滴滴在荷葉表面（b)荷葉表面大面積的微結(jié)構(gòu)（c)荷葉表面單個(gè)乳突（d）荷葉表面的納米結(jié)構(gòu)出淤泥而不染，濯清漣而不妖。--宋.周敦頤《愛蓮說》超疏水的荷葉表面7第6頁/共23頁通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，水滴在荷葉表面的接觸角和滾動(dòng)角分別為

161.0°±2.7

o

和2

o

。這使得荷葉具有了很好的自清潔能力。從上面模型可看出：由于荷葉雙微觀結(jié)構(gòu)的存在，大量空氣

儲(chǔ)存在這些微小的凹凸之間，使得水珠只與荷葉表面乳突上

面的蠟質(zhì)晶體毛茸相接觸，顯著減小了水珠與固體表面的接

觸面積，擴(kuò)大了水珠與空氣的界面，因此液滴不會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展，

而保持其球體狀，這就是荷葉表面具有超疏水性的原因所在。荷葉表面雙微觀結(jié)構(gòu)模型82014/3/28第7頁/共23頁固體表面的潤濕性能由化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同決定：化學(xué)組成結(jié)構(gòu)是內(nèi)因：低表面自由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效果。研究表明，光滑固體表面接觸角最大為1200左右。表面幾何結(jié)構(gòu)有重要影響：具有微細(xì)粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏（親）水表面的疏（親）水性能82014/3/28第8頁/共23頁超疏水表面的形成原因超疏水表面的制備92014/3/28第9頁/共23頁一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)。一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面。主要方法模板法等離子體法化學(xué)氣相沉積法溶膠-凝膠法化學(xué)氣相沉積法靜電紡絲法……….超疏水表面的制備一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)。102014/3/28第10頁/共23頁一種是將疏水材料構(gòu)筑粗糙表面。1.模

板

法112014/3/28第11頁/共23頁

模板法也稱復(fù)制模塑法,自20世紀(jì)90 年代提出以來已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21 世紀(jì),復(fù)制模塑技術(shù)也深入到超疏水表面的制備研究中,尤其是在仿生超疏水表面的復(fù)制中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。步驟：復(fù)制模塑法是指先用一種預(yù)聚物A

(一般為PDMS

,有時(shí)也可采用溶液) 復(fù)制出荷葉等超疏水植物葉片表面微結(jié)構(gòu)；固化A 并從荷葉表面剝離,得到負(fù)型結(jié)構(gòu)的軟模板B

,然后以此軟模板為圖形轉(zhuǎn)移元件,將其表面的負(fù)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其它材料C 表面,經(jīng)過2次復(fù)制最終得到與荷葉表面特征相似的仿荷葉微結(jié)構(gòu)。復(fù)制模塑技術(shù)制備仿生超疏水表面的操作示意圖模

板

法122014/3/28第12頁/共23頁2.等離子體法等離子體：是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體法原理：利用等離子體對(duì)表面進(jìn)行處理，獲得粗糙結(jié)構(gòu)，從而得到超疏水性的材料表面。優(yōu)點(diǎn)：快速、選擇性高、表面均勻；缺點(diǎn)：設(shè)備昂貴，且不利于大面積制備。132014/3/28第13頁/共23頁McCarthy等在聚四氟乙烯(PTFE)存在下,用射頻等離子體刻蝕聚丙烯(PP)制備出粗糙表面。表面與水的前進(jìn)角/后退角可達(dá)θA

/θR

=

172°/169°。利用射頻等離子體刻蝕法在不同刻蝕時(shí)間得到的聚丙烯掃描電子形貌圖:(

a)

0

min,

(

b)

30

min,

(

c)

60

min,

(

d)

90

min,(

e)

120

min,

(

f)

180

min142014/3/28第14頁/共23頁Chen等利用納米球刻蝕的方法首先得到了排列整齊的單層聚苯乙烯

(PS)納米珠陣列

,再用氧等離子體處理以進(jìn)一步減小納米珠的尺寸從而得到粗

糙表面

(圖

18)。在其表面覆蓋

20

nm厚的金膜并用十八硫醇(ODT)進(jìn)行修飾可以增強(qiáng)其疏水性。通過調(diào)整

PS納米珠的直徑

(440～190

nm)可以控制表面接觸角的大小

(132°

～168°

)。氧等離子體處理后的超疏水PS納米珠陣列表面152014/3/28第15頁/共23頁3.化學(xué)氣相沉積法原理：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉

積到晶片表面上。化學(xué)氣相沉積法是傳統(tǒng)的制備薄膜的技

術(shù)。特點(diǎn)：該方法成本較高 ，一般用于一些特殊材料的制備。4.靜電紡絲法靜電紡絲： 靜電紡絲就是高分子流體靜電霧化的特殊形式，此時(shí)霧化分裂出的物質(zhì)不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以運(yùn)行相當(dāng)長的距離，最終固化成纖維。特點(diǎn)：電紡絲具有設(shè)備簡單

, 可大面積快速制備，工藝可控等特點(diǎn) ,適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但它的一個(gè)較大缺點(diǎn)就是表面微結(jié)構(gòu)的可控性與均勻性比較差。162014/3/28第16頁/共23頁利用

CVD法得到的陣列碳納米管膜的

SEM照片:(a,b).蜂房結(jié)構(gòu)(不同放大倍數(shù)),利用化學(xué)氣相沉積法在石英基底上制備了各種圖案結(jié)構(gòu)的陣列碳納米管膜,結(jié)果表明,水在這些膜表面的接觸角都大于160°,滾動(dòng)角都小于5°,納米結(jié)構(gòu)與微米結(jié)構(gòu)在表面的階層排列被認(rèn)為是產(chǎn)生這種高接觸角、低滾動(dòng)角的原因。2014/3/2(8C).島狀,(d).柱狀18第17頁/共23頁江雷等以聚苯乙烯

(

PS)

為原料

,制備了一種具有新穎的多孔微球與納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水薄膜，其中多孔微球?qū)Ρ∧さ某杷云鹬饕饔?/p>

, 而納米纖維則交織成一個(gè)三維的網(wǎng)絡(luò)骨架

,“ 捆綁

” 住多孔微球

, 增強(qiáng)了薄膜的穩(wěn)定性。利用電紡技術(shù)得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)PS薄膜:(a～c)SEM圖,(d)水滴的形貌圖(接觸角為160.4°)192014/3/28第18頁/共23頁新型超疏水材料的應(yīng)用將十分廣泛：沙漠集水；遠(yuǎn)洋輪船船底涂料，可以達(dá)到防污、防腐的效果；室外天線上，建筑玻璃，汽車、飛機(jī)擋風(fēng)玻璃上，可以防積雪，自清潔；冰箱、冷柜等制冷設(shè)備的內(nèi)膽表面上，凝聚水、結(jié)霜

、結(jié)冰現(xiàn)象；天然氣、石油管道內(nèi)壁表面超疏水分子膜；用于微量注射器針尖，可以完全消除昂貴的藥品在針尖上的黏附及由此帶來的對(duì)針尖的污染；防水和防污處理；………202014/3/28第19頁/共23頁