超疏水材料課件

1、超疏水高分子材料,1,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水高分子材料的綜述,01,超疏水材料的制備,02,超疏水材料的應(yīng)用,03,目錄,研究展望,04,2,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水高分子材料的綜述,3,PPT學(xué)習(xí)交流,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(lái)獲得。 超疏水的表征量 靜態(tài)接觸角：越大越好 滾動(dòng)角：越小越好,4,PPT學(xué)習(xí)交流,接觸角和滾動(dòng)角,接觸角的滯后性 真實(shí)固體表面在一定程度上或者粗糙不平或者化學(xué)組成不均一，這就使得實(shí)際物體表面上的接觸角并非如Young方程所預(yù)示

2、的取值唯一。而是在相對(duì)穩(wěn)定的兩個(gè)角度之間變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為接觸角滯后現(xiàn)象，上限為前進(jìn)接觸角，下限為后退接觸角，二者差= - 定義為接觸角滯后性,滾動(dòng)角（SA）：滾動(dòng)角是指液滴在 傾斜表面上剛好發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，傾斜表 面與水平面所形成的臨界溫度。等于 前進(jìn)角和后腿腳之差。 前進(jìn)角：液固界面取代氣固界面后形 成的接觸角叫做前進(jìn)角； 后腿角：氣固界面取代液固界面后形 成的接觸角叫做后退角。,5,PPT學(xué)習(xí)交流,不同表面水滴接觸界面狀態(tài),6,PPT學(xué)習(xí)交流,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,7,PPT學(xué)習(xí)交流,蟬翼表面的

3、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)，從而確保了自清潔功能。,8,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水基本理論,材料的浸潤(rùn)性是由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定的，通常以接觸角表征液體對(duì)固體的浸潤(rùn)成度。,Young方程,Wenzel方程,Cassie方程,9,PPT學(xué)習(xí)交流,對(duì)于光滑、平整。均勻的固體表面，Thomas Young在1805年提出了接觸角與表面能之間的關(guān)系，即著名的Young方程（Young Equation）: SV = SL + LV

4、cose SV SL LV分別為顧氣、固液、液氣間的 液面張力,10,PPT學(xué)習(xí)交流,由于Young方程僅適用于理想中的光滑固體表面，Wenzel和Cassie對(duì)粗糙表面的浸潤(rùn)性進(jìn)行了研究，并分別各自提出理論,11,PPT學(xué)習(xí)交流,Wenzel模型,Wenzel模型：粗糙表面的存在，使得實(shí)際上固液相的接觸面要大于表觀幾何上觀察到的面積，從而對(duì)親（疏）水性產(chǎn)生了增強(qiáng)的作用。,12,PPT學(xué)習(xí)交流,Cassie模型,Cassie模型：氣墊模型（由空氣和固體組成的固體界面）,13,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水表面的形成原因,固體表面的潤(rùn)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

5、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120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,14,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水表面的制備,制備原理,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,15,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水表面（材料）制備方法,16,PPT學(xué)習(xí)交流,模板法也稱(chēng)復(fù)制模塑法，自20世紀(jì)90年代提出以來(lái)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： 1、復(fù)制模塑法是指先用一種預(yù)聚物A（一般為PDMS，

6、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)； 2、固化A并從荷葉表面剝離，得到負(fù)型結(jié)構(gòu)的軟膜板B，然后以此軟膜板為圖形轉(zhuǎn)移元件，將其表面的負(fù)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其他材料C表面，經(jīng)過(guò)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)。,1、模板法,17,PPT學(xué)習(xí)交流,模板法,18,PPT學(xué)習(xí)交流,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)

7、備昂貴，且不利于大面積制備。,19,PPT學(xué)習(xí)交流,20,PPT學(xué)習(xí)交流,21,PPT學(xué)習(xí)交流,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)，然后它們相互之間發(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。,22,PPT學(xué)習(xí)交流,利用CVD法得到的陣列碳納米管膜的SEM照片（a,b）.峰房結(jié)構(gòu)（不同放大倍數(shù)），（C）島狀，（d）柱狀,23,PPT學(xué)習(xí)交流,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

8、以運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的距離，最終固化成纖維。 特點(diǎn)：電紡絲具有設(shè)備簡(jiǎn)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。,24,PPT學(xué)習(xí)交流,25,PPT學(xué)習(xí)交流,超疏水材料的應(yīng)用,新型超疏水材料的應(yīng)用將十分廣泛： 沙漠集水 遠(yuǎn)洋輪船傳遞涂料，可以達(dá)到防污、防腐的效果； 室外天線上，建筑玻璃，汽車(chē)、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(lái)的對(duì)針尖的污染； 防水和防污處理； .,26,PPT學(xué)習(xí)交流,沙漠集水器,27,PPT學(xué)習(xí)交流,沙漠集水,28,PPT學(xué)習(xí)交流,輪船船底涂料,29,PPT學(xué)習(xí)交流,30,PPT學(xué)習(xí)交流,31,PPT學(xué)習(xí)交流,天然氣管道內(nèi)表面超疏水分子膜及其防腐性能,天然氣管道表面經(jīng)超疏水改性前后腐蝕液滴的浸潤(rùn)形貌對(duì)比圖,32,PPT學(xué)習(xí)交流,展望,固體表面的潤(rùn)濕性是一種復(fù)雜的性質(zhì)，它對(duì)固體的其它各種表面特性都有影響。目前對(duì)固體材料的潤(rùn)濕性的控制、超疏水涂料工業(yè)化的研究仍很有限，有待進(jìn)行詳盡的探索。超疏水涂料涉及表面科學(xué)、納米科技、材料科