人工仿荷叶表面的疏水性质研究-张凌宇-人大附中

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1、人工仿荷叶表面的疏水性质研究张凌宇（北京人大附中初二17班）第四届全国中学生数理化大赛参赛论文（初二物理），联系电话：13693319394指导老师：国家纳米科学中心韩秋森摘要荷叶表面的自清洁功能引起了人们极大的研究兴趣。这种自清洁功能来源于表面微观结构和化学成分的共同作用。近年来，人们用了不少方法来制备仿荷叶表面。本文通过用砂纸为模板制作了具不同疏水性质的聚合物薄膜。用光学显微镜观测了薄膜表面形貌；用接触角测量仪测了薄膜的接触角，探讨了不同微结构对表面疏水性质的影响。关键词仿生；超疏水；聚合物；砂纸

2、1.背景介绍爱莲说中提到过荷花的“出淤泥而不染”。那么荷花为什么就能“出淤泥而不染”呢？其原因是荷花表面具有自清洁的特殊功能，这种特殊功能来源于荷花表面特殊的浸润性质。浸润性是固体表面重要特性之一，在自然界和人类生活中都发挥着重要作用[1-2]。浸润性主要取决于固体表面微观结构及其化学成分。浸润性由液体对固体表面的接触角来衡量。接触角＜5°为超亲水；5°＜接触角＜90°为亲水；90°＜接触角＜150°为疏水；而接触角＞150°为超疏水。图1具有不同接触角表面的示意图。图A是亲水表面；图B是疏水表面；图

3、C是超疏水表面。超疏水表面在自然界中很常见。比如前面提到的荷花。许多植物的叶子都有超疏水的性质。我也观察过竹叶表面的浸润性。图2是竹叶表面的水滴照片，可以清楚地看到一颗较圆的水滴立在竹叶上。图2竹叶表面的水滴的照片超疏水表面有很多应用，如防雾化、抗污染，在生活中有极大的应用价值。超疏水技术会给人们的日常生活（如方便洗衣服、使门窗不沾油污……）和工农业生产带来极大的便利。近年来，人们已用不少方法来制备仿荷叶表面[3-5]。本文通过用砂纸为模板制作了仿荷叶表面的、具不同疏水性质的聚二甲基硅氧烷（PDMS）

4、薄膜。用光学显微镜观测了薄膜表面形貌；用接触角测量仪测了薄膜的接触角，探讨了不同微结构对表面疏水性质的影响。1.实验部分1.1材料与仪器聚二甲基硅氧烷（PDMS）；亚甲基蓝（MB）；2000目砂纸；1000目砂纸；400目砂纸；真空干燥仪；烘箱；光学显微镜；接触角测量仪。1.2PDMS微结构表面的制备分别把400目、1000目和2000目砂纸片剪成合适大小的小片，放在圆形器皿中，粗糙面朝上。将PDMS预聚体和固化剂按10:1混合均匀，浇注在圆形器皿中的砂纸上。把器皿放进真空干燥仪中抽去空气。这一步是为

5、了把PDMS中的气泡抽走。然后放入烘箱中在80℃的温度下加热120分钟，自然冷却后的PDMS形成固体。这时将3块装有砂纸的PDMS固体从器皿中取出。用镊子分别揭下3片砂纸，此时便得到表面粗糙度不同的PDMS固体。1.3PDMS微结构表面的表征用光学显微镜观察PDMS微结构表面；用接触角测量仪测量表面浸润性。2.结果与讨论2.1PDMS表面水滴形貌砂纸是胶粘有磨料颗粒的特殊纸张，不同目数的砂纸具有不同尺寸的磨料（SiC）。400目的砂纸磨料颗粒直径在60微米左右，1000目的磨料颗粒直径为30微米左右，

6、而2000目的磨料颗粒直径为10微米左右。图3A、3B和3C分别是用400目、1000目和2000目砂纸作为模板制备的PDMS的表面。我用亚甲基蓝把去离子水染成蓝色，滴在薄膜表面。这时可以清楚地看到400目砂纸为模板的PDMS膜上有一颗稍大于半球状的水滴（图3A）；1000目砂纸为模板的PDMS膜上的水滴呈大半个球状（图3B）；而2000目砂纸制备的样品上立着一颗近似球状的液滴（图3C）。这说明用不同粗糙度的砂纸制备的薄膜表面具有不同的疏水性质。图3不同PDMS样品表面水滴的照片。A是400目砂纸制备

7、的PDMS样品的表面；B是1000目砂纸制备的PDMS样品的表面；C是2000目砂纸制备的样品表面。1.1PDMS微结构表面形貌图4是不同样品表面形貌的光学显微镜图片。A是400目砂纸为模板制备的PDMS样品的表面；B是1000目砂纸为模板制备的PDMS样品的表面；C是2000目砂纸制备的样品表面。从图中可以看到，400目砂纸为模板制备的样品表面颗粒和间隔较大，粗糙度比较大；1000目砂纸为模板制备的样品表面的颗粒和间隔较小，相对粗糙度比较小。而2000目砂纸为模板制备的样品表面的颗粒和间隔最小，相对

8、粗糙度也最小。可见，不同粗糙度的砂纸可以制备出不同粗糙度的PDMS薄膜。图4不同样品表面形貌的光学显微镜图片。A是400目砂纸制备的PDMS样品的表面；B是1000目砂纸制备的样品表面,C是2000目砂纸制备的样品表面。3.3PDMS微结构表面的浸润性图5A是3微升的水滴滴在400目砂纸制备的PDMS薄膜上的照片，接触角为119.1±1.3o；图5B是3微升的水滴滴在1000目砂纸制备的PDMS薄膜上的照片，接触角为130.7±2.0o。图5C是3微升的