南京理工大学本科生科研训练“百千万”计划开题报告.docx

南京理工大学本科生科研训练“百千万”计划开题报告 项目名称 具有植物形态的疏水材料的制备及疏水性研究 资助类别 国家级（）；省级（）；校级重点（）；校级普通（√） 项目来源 部、省级以上科研课题（）企、事业单位委托课题（）卓工计 划联合培养项目（）学生自拟课题（J）竞赛项目（）其他 （） 项目组成 员 姓名 学号 学院 专业 是否主持人 周俊良 D0338 材料科学与 工程学院 材料科学 与工程 是 张紫潺 D0337 材料科学与 工程学院 材料科学 与工程 否 王中元 D0530 材料科学与 工程学院 材料科学 与工程 否 指导教师 姓名 职称 学院 电话 王天驰 副教授 材料科学与 工程学院 一、项目简介（项目背景、主要研究内容、拟解决的主要问题） 一些植物具有疏水能力，其特殊的结构起到作用。本项目即利用植物为 模板，通过成分变异及结构遗传，获得具有植物构造的金属、陶瓷等疏水表 面。测试研究这类材料的疏水性能，期望植物构造能赋予该材料表面超疏水 性能。 二、文献综述及主要参考文献（通过对本研究密切相关的至少9~11篇参考文献进行整理和 归纳，介绍国内外学者对这些问题的研究结果及对其前景的看法） 自然界的生物长时间以来都是人类重点研究的对象，这些生物既具有十 分精细并且近乎完美的结构，又具备许多特殊的性质，而且它们的结构与性 质又十分匹配，具有一致性［1］。研究发现，在植物中存在许多超疏水现 象，比如荷叶表面具有“自清洁”特性［2］、水稻叶表面具有超疏水各向异 性［3］、红玫瑰花花瓣具有高黏附超疏水特性［4, 5］等。人们从这些自然现象 中获得启发和灵感，来制备超疏水表面。超疏水对于人类开发应用功能化的 表面具有重要的意义。独特的润湿性能使得超疏水材料在生产及生活上具有 十分广阔的应用前景［6, 7］,如自清洁、防冻、抗粘、防污，防腐等［8］,结 合不同的材料和使用领域，超疏水材料表现出独特的性能。 要想最精确的将生物体的完美精细结构组织完整地模仿复制出来，借助 遗态材料学制备仿生材料的思路是不错的办法。遗态材料学指的是以天然生 物为模板，用特定的方法保留生物原有结构而改变其组成成分的新材料 ［9］。目前，以遗态法制备超疏水表面和超疏水材料的研究已经日趋成熟，  制备的方法也有很多，其中较常用的主要包括化学溶液浸渍法、声化学处理 法、纳米复合溶剂热加工法等［10］。 当液体与固体表面接触时，液体将散布在固体表面上，原本的接触模式 固-气接触和液-气接触会转变为固-液接触，这一现象叫做润湿［n］。当液 滴滴在固体表面时，会形成凸起，并不会完全展开，该液滴会与固体表面形 成一定的角度，这个角度称为接触角θ O根据水与材料表面的接触角大小将 润湿行为分为四种不同的状态，当水接触角在0° -10° , 10-90° , 90- 150°和150° -180°分别称为超亲水、亲水、疏水和超疏水。当水液滴落 在倾斜的表面上会发生两种不同现象，即可能直接滚落也可能留在表面不 动，这种现象可以用滚动角进行表征［12］。滚动角指的是水滴从倾斜表面开 始滚动的临界角度，用来表示液滴是否容易从材料表面滚走。一般来说，具 有良好疏水性能的材料，其滚动角应较小。 对于理想固体表面的静态接触角，若不考虑化学异质性、表面粗糙度、 表面重建、溶胀和溶解等因素，一般用Y。Ung方程来表征。事实上，固体表 面都有一定的表面粗糙度，因此需要考虑表面粗糙度对液体浸润性的影响,这 就与YoUng方程有所偏差。因此，科研工作者又提出了两个不同的润湿模型 来描述表面粗糙度和固体表面的表观接触角之间的关系，也就是WenZel润 湿模型和CaSSie-BaXter润湿模型。 Wenzel 方程： 在1936年，Wenzel ［13］首先认识到表面粗糙度对浸润性有放大的影 响，因此他在Y。Ung方程的基础上，提出如下方程来阐述接触角与表面粗糙 度之间的关系： COS6 =rco 的 式中，r表示表面粗糙度因子。在WenZel模型中，假设是液体完全填充粗 糙表面的凹槽。根据WenZel方程，材料的表面粗糙度可以增强其亲水性和 疏水性。由于粗糙度因子rNl,因此随着表面粗糙度的增加，亲水表面变得 更加亲水。同样的，疏水表面变得更加疏水。 Cassie-Baxter 方程： Wenzel方程在一定程度上改进了 YoUrIg氏方程，但依然有一些特殊的情 况用这两种方程解释。因此，CaSSie和BaXter在前面两种理论的基础上， 继续改进模型，推导出如下关系： cos。* =与 COSq + f2 cos 6,2 式中θ?和02为液体在固体和气体上的本征接触角，θ*为表观接触角；fl和f2 分别为固液接触面积与气液接触面积占表观接触面积的分数，且fl+ f2=lo 该方程将粗糙