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仿荷叶超疏水高分子材料设计综述
仿荷叶超疏水高分子材料设计综述
摘 要 近年来,由于超疏水表面在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用,有关超疏水表面的研究引起了极大的关注。本文综述了超疏水表面研究的新进展:简单介绍了表面浸润性的表征手段和影响因素,归纳了超疏水表面的制备方法和相关的理论分析,对超疏水表面研究的发展进行了展望。
关键词 超疏水 仿荷叶 多级结构 滞后 接触角 滚动角
Summary of lotus-like super-hydrophobic polymer materials design
Abstract In the last decade, surfaces with ultra hydrophobicity have aroused much research interests owing to their potential application in self-cleaning coatings , microfluidics and biocompatible materials and so on. The recent progress in the study of superhydrophobic surface is summarized in three parts. In the first part the characterization and influences of wettability are briefly introduced ; in the second part new development of superhydrophobic surfaces is summarized from both experimental and theoretical aspects ; in the third part the prospect of the development in this field is proposed.
Key words superhydrophobic ; lotus-like ; hierarchical structure ; hysteresis ; contact angle ; sliding angle
1.引言
我们用扫描电子显微镜观察到荷叶表面存在着微米和纳米级的双微观结构 ,即乳突形成的表面微米结构和蜡晶体形成的纳米结构[1] ,乳突的直径为 5~15μm ,蜡晶体特征尺度为20~500nm。微米结构的排列影响其他物体在其表面的运动趋势,纳米结构则大大提高了荷叶表面与其他物体表面的接触角,两种结构的结合可有效地降低其他物体在其表面的滚动角。具有独特阶层结构荷叶的超疏水表面减小了与水珠和脏物颗粒表面的接触面积,使脏物颗粒不容易粘附在荷叶表面,而是被水珠吸附卷走,从而滚出叶面。这就是荷花效应的秘密所在。事实证明,基于荷花效应的超疏水仿生功能表面已在涂料、薄膜、纤维等宏观领域得到了应用 ,并展现了极大的应用价值。
超疏水材料的基础理论研究始于20世纪50年代,盛于90年代。一般将与水接触角大于90°膜就称为一般疏水膜材料,将大于 150°称为超疏水材料。由于超疏水膜独特的表面特性,在国防、日常生活和众多工业领域有着广泛的应用前景,所以其研究备受关注。随着超疏水膜理论日臻成熟,人们认识到超疏水膜不但受材料表面的化学成分和结构控制,还为表面形貌结构所左右。为此,人们发明了许多的新的制备技术,以求获得超疏水膜。
2.基本原理
固体表面的润湿性是由固体的表面化学组成和表面三维微结构决定的,液滴在固体表面的润湿特性常由杨氏方程描述。液滴与固体表面间的接触角大 ,润湿性差 ,其疏液体性强。通常有两种方法提高固体表面的水接触角和疏水性。一是通过化学方法降低固体的表面自由能 ,二是在疏水表面提高固体表面的粗糙度。目前已知的疏水材料有机硅、 有机氟材料的表面能低 ,并且含氟基团的表面能依 -CH2- -CH3 -CF2- C-F2H -CF3的次序下降[2]。
Fig.1 Schemgic of a water droplet on flat surface
Young[3]通过对物质表面亲、疏水性的开创性研究,揭示了在理想表面上Fig.1,当液滴达到平衡时各相关表面张力与接触角之间的函数关系,提出了著名的杨氏方程:
cosθ= (γsv -γsl)/γlv (1)
其中γsv、γsl、γlv分别为固气、固液、气液间的界面张力,θ气、固、液三相平衡时的接触角。当θ>90°时表现为疏水性质,θ<90°时表现为亲水性质。根据杨氏方程可知:当γsv<γsl时cosθ<0则θ>90°也就是在表面增加气囊可以提高接触角,以增加疏水性能。
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