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超疏水界面的制备与应用研究

摘要:镁、铝等金属都是综合能力性能十分优秀的材料。但其在使用过程中面临着严重的腐蚀问题,使它们的寿命受到严重的影响,同时制约其在工业领域的应用。近年来,随着对仿生超疏水界面的进一步研究,发现其特殊的表面微结构能够减少金属基底与腐蚀介质的接触面积,为提升镁、铝合金的防腐性能提供了一种可能。本文主要叙述了镁、铝等金属在超疏水界面的研发方向,分别从超疏水界面形成的原理,制备金属超疏水界面的方法及金属超疏水界面在各个方面的应用进行了说明。关键词:超疏水;金属;防腐蚀;制备方法

1前言

超疏水界面,指落于某种材料或物体表面的水珠呈现大于150°的接触角。在数十亿年的漫长进化中,为了适应各种复杂的气候环境,许多生物都进化出了超疏水界面结构,例如荷叶、玫瑰花瓣、水稻叶与大闪蝶翅膀上的水滴等。经过大自然的启发,如今,人们已经拥有很多制备超疏水界面的方法,同时在防冰冻、防腐蚀、强化传热、表面自清洁、减阻、生物医学、超疏水织物、油水分离等应用有一定的发展,近年来,研究超疏水界面成为学术界的热点之一[1]。

1.1荷叶

Barthlott等[2]通过许多的实验观察和研究,揭露了荷叶疏水的工作原理,荷叶效应主要来源于对荷叶表面的超疏水特性以及自我清洁性,如图1(a)所示,在一个电子显微镜下,每一片荷叶表面都存在着直径为5-9微米级的突出的团块,每个突出的团块上都存在着大量由蜡质颗粒构成的纳米级结构,这种低表面能的微纳米级双重结构既可以增大荷叶表面的超疏水特性,使水珠不容易被润湿;还可以使接触面与水珠之间获得的许多空气托住水珠,使水珠更容易滚动,水珠滚动时会带走荷叶表面的尘土,因此会起到自我清洁的作用。

1.2玫瑰花瓣

玫瑰花瓣与荷叶表面的性质并不相同。蒙大拿的Rosa[3]发现玫瑰花瓣由带有表皮纳米折叠的凸锥形细胞构成,如图1(b)所示,在显微镜下发现了玫瑰花瓣上微型根尖细胞的大小,其中直径为16毫米,高为7毫米,与荷叶表面的结构相比,玫瑰花瓣表面的微观结构与纳米结构的都相对比较大,花瓣表面的水珠受重力影响可以渗透到微纳米级双重结构的空隙之中,浸入空隙的水珠易附着在花瓣表面,使水珠难以掉落,从而表现出高的附着性。

1.3水稻叶

以上超疏水表面本质上都具有各向同性的润湿现象,但水珠在水稻叶上表现出奇特的各向异性润湿性质。水珠在微小的打扰下,会沿着叶脉的方向快速滚落流向根部,其中3°-5°为水珠沿叶脉平行运动方向的滚动夹角,

9°-15°为垂直运动方向的滑移夹角,人们研究发现,稻叶表面的微突起会以定向有序的沟槽阵形排列,如图1(c)所示,这些微小的沟槽不仅沿着叶脉的平行方向排列,而且会与叶脉垂直的方向形成能量势垒,从而形成特殊的各向异性润湿现象[4]。

1.4大闪蝶翅膀

大闪蝶翅膀也同样具有特殊的各向异性润湿现象,如图1(d)所示,当大闪蝶的翅膀向下倾斜到9度左右时,水珠可沿箭头方向从其表面滚动落下,但是当其方向与箭头方向不一致时,即使倾斜到90度左右,水珠不会蝴蝶的翅膀上滚落,相反的,它会黏在翅膀上,这种各向异性的润湿性质与滚动性质来自于蝴蝶翅膀表面特有的微观结构,各向异性的微观结构排列既可以使蝴蝶翅膀有绚丽多彩的结构色,而且使其有润湿能力,同时受到纳米级鳞片与微米鳞片容易弯曲的影响,当翅膀朝上或朝下方向倾斜的时候,复合微结构表现出两种不同的形态,使水珠处于两种完全不相同的接触形态,从而表现出不一样的滚动性质[5]。

图1大自然中具有超疏水表面的动植物及它们的微观结构。(a)荷叶的自清洁图及微观结构;(b)玫瑰花瓣的亲水性及微观结构;(c)水稻叶的拒水能力及微观结构;(d)大闪蝶翅膀的润湿性及微观结构

2超疏水的原理

2.1光滑表面与Young氏态模型Young[1]构成了水珠边缘为理想平滑表面的受力模型,如图1(a)所示,认为光cosθ=(γSV-γSL)/γLV滑固体界面上水珠的接触角受到固体与液体,固体与气体,气体与液体三项系统的约束,满足Young氏方程:

(1)

其中γSV为固体和气体之间的理想光滑表面张力的系数、γSL为固体和液体之间的理想光滑表面张力系数、γLV为气体和液体之间的理想光滑表面张力系数,θ为理想光滑表面水珠的接触角,其中,接触角小于等于5度是超亲水表面;接触角大于等于5度且小于等于90度是亲水表面;接触角大于等于90度且小于等于150度是疏水表面;接触角大于等于150度是超疏水表面,但是并不存在理想的光滑表面,任何表面都有可能是粗糙的。

2.2粗糙表面与Wenzel模型

Wenzel等[1]推导了粗糙度对材料润湿性的影响,根据表面张力的定义,他表示表面几何的接触面积要比粗糙表面的真实接触面积小,接触角与界面的粗糙结构

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