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仿荷叶超疏水高分子材料 文献综述 引言： 荷花（nelumbo nucifera）被认为是纯洁的象征，这一说法源于荷叶所具有的独特的“荷叶效应”：水滴能在荷叶表面自由地滚落，同时带走其表面的灰尘和杂质。荷叶的这种自清洁效应与荷叶表面的超疏水性有着密切联系；w. barthlott等通过对荷叶表面结构的观察和分析，揭示了荷叶表面的微米和纳米级的结构是导致超疏水性以及自清洁效应的关键。这一发现对于仿生学有着重要的意义：通过模仿荷叶的表面结构，人们可以制备出人造超疏水表面，并由此衍生出大量的实际应用，如建筑表面的防水防尘，衣物的防污等。 尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。 ?? ??为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？?对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。自然界里具有“自清洁”能力的植物除了荷叶之外，还有水稻、芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种“自清洁”效应除了保持表面的清洁外，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。因为即使有病原体到了叶面上，一沾水也就被冲走了。所以象荷花这样的植物即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。 利用纳米/微米复模成型的方法,制备了 荷叶表面 微乳突清洁功能引起人们极大的研究兴趣,这种自清洁功能源自于表面形貌与低 表面能物质的共同作用。目前,已用不少方法来制备仿荷叶表面状疏水结构的 聚乙烯醇( PVA)和 聚苯乙烯( PS) 阴模 模具,并利用阴模复模成型在聚 二甲基硅烷( PDMS)表面制备了类荷叶的表面结构。 扫描电子显微镜(SEM)的观察表明PDMS 材料表面上制得的类荷叶结构与荷叶表面的微乳突结构有较好的一致性,而PVA阴模在保持微观结构上更有优势。通过对水滴在PDMS材料表面 接触角的 测量,证明了在制备有类荷叶表面结构的PDMS材料表面上,水滴的接触角可以得到显著提高。 浸润性是固体表面的重要特征之一，它是由表面的化学组成和微观几何 结构共同决定的。超疏水性表面是指水在固体表面的接触角大于150°的表面。 构建超疏水性纳米结构表面在表面化学和材料化学等基础研究及工农业生产 中都有着极其重要的研究意义及非常广阔的应用前景。 本论文中，采用简单方法成功制备了类“壁虎的脚”的对水滴具有高粘 滞力的超疏水性纳米界面材料以及类“菜花”状的对水滴具有低粘滞力的超疏水性纳米界面材料。研究表明，纳米结构及微米－纳米复合结构对超疏水 性及超疏水性表面与水滴之间的粘滞性有着重要的影响。 1．采用模板覆盖法，首次制备了对水滴具有高粘滞力的超疏水性阵列聚 苯乙烯(PS)纳米管膜。研究表明，该 PS 纳米管膜表面具有超疏水性，与水 的接触角可高达162.0°，且水滴在阵列PS 纳米管膜表面不滚动，对水滴具有 高的粘滞力。测量了水滴与固体表面之间的粘滞力，与其他超疏水 表面相比，阵列 PS 纳米管对水滴具有很高的粘滞力。这种类似于“壁虎的 脚”性能的具有高粘滞力的超疏水性纳米界面材料，将在无损失液体的传输 I WP=122 中文摘要 和微量液体的测试方面具有广泛的应用前景。 2．利用模板覆盖方法制备了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纳米棒膜， 该膜表面在没有任何低表面能物质修饰时即具有超疏水性，与水的接触角高 达152.0°。研究表明，PMMA 纳米棒膜表面的空气对超疏水性引起了重要的 作用。 3．利用激光刻蚀的方法制备了类“菜花”状的具有低粘滞力的超疏 水性微米-纳米复合结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜。该复合膜表面具有超 疏水性，与水的接触角高达165.2°，且滚动角（5°）非常低。对粗糙PDMS 膜表面与水滴之间的粘滞力的测量研究表明，该膜与水之间的粘滞力非常小， 和平滑 PDMS 膜与水滴之间的粘滞力相比，其粘滞力大大减少。超疏水性 PDMS 表面对水滴具有