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基于荷叶原理的超双疏材料-PPT概要
中科院天津产业技术创新 与育成中心合作项目 超双疏材料在环保节能领域的应用及价值 2015年9月16日 * * 基于荷叶原理的超双疏材料 工业化及应用 张旭 教授 河北工业大学化工学院高分子科学与工程系 天津华科力源科技发展有限公司 E-mail:xuzhang@hebut.edu.cn Mobile只能应用于组成均匀、光滑和各项同性的理想固体平面。 Young氏方程 Wenzel模型 r定义为粗糙度,是指固体的真实面积与其表观面积之比,θw是粗糖表面的接触角。 ①当θ 90。时, θw随粗糙度r的增加而降低,亲水表面变得更亲水,②当θ90°时,随粗糙度r的增加而变大,疏水表面变得更疏水。 Cassie模型 引入f1和f2分别表示固/液界面和液/气界面所占的分数f1+f2 =1,θ2=180。 1. 固体表面的超疏水原理 滚动角 超双疏条件:接触角≥150度,滚动角小于10度 2. 超双疏材料的发展 1997年德国波昂大学的植物学家W. Barthlott 针对这个特殊现象进行了一系列的实验发现了疏水性与自我清洁的关系,因此创造了“莲花效应”,同时也拥有了这个商标的专利权,此后莲花效应就成了纳米科技最具代表性的名词(Planta 1997,202,1) 2002年,中科院化学所江雷院士的研究组发现,除了在荷叶表面有一层蜡状物之外,微米结构的乳突上还存在着纳米结构( Adv. Mater. 2002, 14, 1857)。其发表在2004年Nature上的报告同时揭开了水黾能再水上行走的秘密,这是因为水黾腿部具有多取向的微米刚毛,且这些刚毛上存在着复杂的纳米凹槽[3]。这些生物现象的研究均表明,超疏水现象是由于固体表明的多级结构与低表面能组合的结果,并以此提出“二元协同作用”。 自然界中其他生物的超疏现象 Soft Matter, 2012, 8, 11217 超疏-自清洁的原理 2.1 超双疏表面的构筑方法 (1)模板法 2002 年,江雷研究组利用多孔氧化铝为模板制备出了聚合物纳米纤维阵列体系。他们首先选择聚丙稀腈(PAN)为前驱体,然后利用模板挤压法得到了阵列 PAN 纳米纤维,制备出的样品表面接触角高达 173.8°。 Angew. Chem. 2002, 114, Nr. 7 (2)刻蚀法 刻蚀包括激光刻蚀、机械刻蚀、化学刻蚀和等离子体刻蚀等等,是构建粗糙表面的一种有效的技术方法。 Zhao[6]等人通过光刻技术和表面氟化过程,在硅基表面构建了高度有序的直径为3μm高度为7μm的支柱,并且在这些支柱侧面存在连续的每个约300nm的凸起,该结构具有优良的超疏油能力(θ十六烷=158o)同时该组讨论了微观结构对超疏油能力的重要性。 H. Zhao, et al. Langmuir, 2011, 27, 5927. (3)沉积法 Ruan[10]将全氟癸基硫醇粘附在三聚氰胺甲醛海绵上,体现出超疏水与超亲油的完美结合,进行原油泄漏的处理,同时也利用了三聚氰胺海绵的阻燃性,这种简单快速的方法使得超疏材料的生产成为可能。 C. P. Ruan, et al. Angew. Chem., Int. Ed., 2014, 53, 5556. (4)溶胶-凝胶法 G. Hayase, et al. Angew. Chem., Int. Ed., 2013, 52, 10788. 溶胶-凝胶法是先制备前体液,经水解缩合后形成溶胶体系并缓慢聚合形成凝胶,最后干燥固化制备出纳米材料的方法。Hayase[11]制备了具有超双疏特性的大孔硅块可以浮于水或有机溶剂之上,但在此过程中产生的凝胶微孔在干燥过程中会逸出气体产生收缩,可能使结构发生塌陷,不利于超疏性能的稳定。 (5)电纺丝法 电纺丝是借助电力产生微纳米结构的方法,用静电纺丝方法Ganesh等[12]构建了聚乙烯乙酸酯和二氧化钛杂化纳米纤维于玻璃基底上,疏水化处理经500℃煅烧后的基板,对水和十六烷的接触角为166°和138°,虽然此表面并未达到超双疏标准且电纺丝技术对周围环境的要求较高,但其具备了优异的自清洁性、力学稳定性和热稳定性,有望进行实际应用。 V. A. Ganesh, et al. ACS Appl. Mater.Interfaces, 2013, 5, 1527. (6)自组装法 Yang等利用Pickering乳液的方法制备了草莓状半球Janus颗粒,这些颗粒能够在底物上自主装形成超疏水层,并与底层以化学键的形式键合,因此能提高超疏水层的耐用性。 NPG Asia Materials (2015) 7, e176 (7)纳米压印技术 纳米压印技术旨在制作纳米或微米结构图形,结合超双疏表面对
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