铝合金超疏水性研究.doc

铝合金超疏水性研究 superhydropHobic 当液体与固体接触时，液体会沿着固体表面向外扩展，同时系统中原来的固气界面和液气界面逐渐地被新的固液界面取代，这一过程称为润湿。液体对固体表面润湿的程度称为固体表面的润湿性。 无论是基础研究还是在实际应用方面，浸润性都是影响固体表面性能的重要因素之一，其主要由几何结构和化学成分共同决定。接触角和滚动角的大小是衡量表面浸润性最常规的标准。表面的浸润性与许多物理化学过程，如吸附、润滑、粘合、分散和摩擦等密切相关。在催化、采油、选矿、润滑、涂饰、防水和生物医用材料等众多领域中，表面浸润性都有着重要的应用。 超疏水表面是指具有非常高的水接触角，且水滴能轻易流动的表面，具有特殊黏附性的超疏水性表面在自清洁、防雪防雾、防腐抗阻、微流体芯片、无损失液体输送等方面都表现出了极为诱人的应用前景。例如，超疏水界面材料用在室外天线表面可防积雪，从而保证高质量信号的接收；超双疏界面材料可涂在轮船的外壳、燃料储备箱表面，可达到防污、防腐的效果；用于石油管道的运输过程中，可防止石油在管道壁黏滞，从而减少运输过程中的损耗及能量消耗， 并防止管道堵塞；用于水中运输工具或水下核潜艇表面，可减少水的阻力，提高行驶速度；用于微量注射器针尖上，可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由此带来的针尖污染；也可以用它来修饰纺织品，做防水和防污的服装等。 水滴与荷叶表面的静态接触角达到了惊人的 161o 已有的研究表明，影响固体表面浸润性的因素主要有两个：一是表面自由能，二是表面粗糙度。当表面自由能降低时，疏水性能就会得到增强。然而，即使是具有最低表面能的光滑固体表面与水的接触角也才接近120°。而且，由于表面能是材料的固有特征，因此为了得到更好的疏水效果，改变表面粗糙度就变得尤为重要。从影响表面浸润性的主要因素可知，提高表面的粗糙度并降低其表面能可以显著地增强表面的疏水性。这一原则在自然界中有着生动的体现，许多植物叶面、水禽羽毛都具有超疏水性。这些动、植物的表面一般都分泌有疏水的油脂或蜡，而且表面非常粗糙，与水的接触角可达150°以上。 在平衡状态下，在固体、液体和气体三相交界处分别做固体和液体表面的切线，两条切线在液体内部所形成的夹角称为接触角(Contact angle，CA) θ。以水为例，一般来说静态接触角小于90o的固体表面称为亲水表面，静态接触角大于90o的固体表面称为疏水表面。特别地，静态接触角小于10o的固体表面称为超亲水表面，静态接触角大于150o的固体表面称为超疏水表面。对于在倾斜的固体表面上运动的液滴而言，在运动方向前后液滴的动态接触角存在着差异，前面的动态接触角最大，称为前进接触角(Advancing contact angle) θADV，后面的动态接触角最小，称为后退接触角(Receding contact angle) θREC。水滴滚动所需的固体表面最小倾斜角称为滚动角(Roll-off angle，RA) α。固体表面静态接触角的大小介于前进接触角和后退接触角之间，前进接触角和后退接触角的差值称为动态接触角滞后(Contact angle hysteresis，CAH) Δθ。特别地，静态接触角大于150o，动态接触角滞后或者滚动角小于10o的固体表面称为自清洁表面。 Young氏方程 由 Young 氏方程可知，通过改变固体表面的化学成分(即表面化学修饰)降低表面自由能可以提高固体表面的静态接触角。研究表明，氟化物表面或者经过氟化处理的固体表面具有最低的表面自由能(6.7mJ/m2)，水在光滑的氟化物表面的静态接触角不会超过 120o。 Wenzel 利用表面粗糙度因子r将粗糙固体表面的润湿性与理想固体表面的润湿性结合起来，推导出了经典的 Wenzel 方程（r =实际面积/投影面积）。 方程中θR表示粗糙固体表面的静态接触角。因为r是一个大于1的数，所以由Wenzel方程可知，表面粗糙度使得固有亲水的固体表面更加亲水，固有疏水的固体表面更加疏水。 1944年，Cassie和Baxter又进一步拓展了Wenzel 理论。他们假设液体没有进入固体表面的粗糙结构中，而是悬浮在粗糙结构之上。一部分空气囊或者空气层被包裹在液体与固体表面之间，从而在液体下方形成了一个由固液和液气两种界面共同组成的复合的固液界面(即Cassie界面)。 方程中f SL和fLV 分别表示固液和液气界面所占的面积分数(f SL + fLV=1)。Cassie 润湿状态对于构建超疏水表面特别是自清洁表面至关重要。 Nosonovsky和Bhushan研究发现，Cassie 润湿状态是一种多尺寸现象，它的形成与液滴和粗糙结构的相对大小有关。通常，Cassie 润湿状态比较脆弱，在外界因素的干扰下会不可逆地转变为相对稳定