超疏水材料设计研究进展

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1、WORD格式可编辑超疏水材料的研究进展2015年5月3日专业知识分享WORD格式可编辑超疏水材料的研究进展摘要：超疏水性材料因为它独特的性质，而在很多方面得到了广泛的应用。近年来，许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。通过研究这些表面微观结构，人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面，从而更好地满足工业中实际应用的需要。该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象，重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。最后，对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。关键词：超疏水、仿生、润湿、功能化表面自然界中，经亿万年的自然选

2、择，许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能，比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。一直以来，这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们，尤其是近几十年，仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。因此，对超疏水材料进行总结和展望，对这种材料的发展有重要的意义。1超疏水原理超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解，即指难以湿润的表面，固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一，不仅受到固体表面粗糙度的影响，还受固体表面化学

3、成分的影响，我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。接触角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。当θ=0°时，所表现为完全湿润；当θ<90°时，表面为可湿润，也叫做亲液表面；当θ>90°时，表面则为不湿润的疏离表面；当θ=180°时，则为完全不湿润。一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标，但并不是唯一指标，在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。但是如果不断增加或减小固体表面上液滴的体积，不管是粗糙的固

4、体表面还是光滑的固体表面，液滴都无法立即达到平衡状态，这种现象称为接触角的粘滞性。专业知识分享WORD格式可编辑2自然界超疏水现象在自然界中，有许多现象都是超疏水材料的体现，研究它们的机理对新材料的发展有重要的意义。2.1荷叶自清洁效应荷叶表面具有自清洁效果，是大自然中最为典型的超疏水性代表。我们经常在荷叶上看到雨滴自动汇集成滚动的水珠，荷叶上的灰尘等杂质都粘附在水珠上一起滚出叶面，从而清洗荷叶。1997年，Barthlott和Neinhuis[4]运用电子显微镜观察到了这个秘密。主要是因为荷叶表面布满了10微米的乳突（如图1所示），它们紧密

5、凑集在一起形成了着复杂的维纳二级结构，这种粗糙的维纳结构能降低荷叶表面与水的接触面积，使得水滴在张力作用下自动收缩成球形滚动。图1[4]：荷叶表面微观图同样的原理，邱雨辰等[5]发现，花生叶表面同时具有超疏水和高黏附特性.水滴在花生叶表面的接触角为151±2°,显示出超疏水特性.此外,水滴可以牢固地附着在花生叶表面,将花生叶翻转90°甚至180°,水滴均不会从表面滚落,专业知识分享WORD格式可编辑显示了良好的黏附性(黏附力超过80μN)。研究发现,花生叶表面呈现微纳米多级结构,丘陵状微米结构表面具有无规则排列的纳米结构。花生叶表面特殊的微纳

6、米多尺度结构是其表面呈现高黏附超疏水特性的关键因素，通过这个实验我们发现，很多宏观上表现出的优异现象，都来自于微观机构，其特点是有微米结构和纳米结构的组合，这种组合大大提升了材料性能。2.2水黾水上漂的技能水黾是一种常见的水上昆虫，拥有特殊的技能和本领，具体表现为水黾由于具有良好的疏水性，不会将自己润湿，可以长期生活在水面上。科学家针对水黾的腿部润湿性进行研究发现，水黾腿表面定向排列着微米尺度的针状刚毛，大部分50微米左右(图2b所示)。每根刚毛上有明显的有螺旋状纳米尺度沟槽，形成了独特的阶层结构.空气被有效地吸附在这些取向的微米刚毛和螺旋纳

7、米沟槽的缝隙中（图2c所示）,在表面形成一层稳定的气膜,有效阻碍了水滴的浸润,这才是水黾腿超疏水性和高表面支撑力的根源[6-9]。图2[8]：(b)腿上取向排列的微米级刚毛;(c)刚毛上的纳米沟槽基于同样的原理，孔祥清[10]等人发现，蚊子腿表面的超疏水机理。单根蚊子后腿在水面上的静态承载力平均可达600μN，是整个蚊子体重的20多倍。通过扫描电子显微镜观察发现，蚊子腿表面被大量有序排列的、瓦片状的、尺寸在十微米级的空心鳞片覆盖，鳞片表面整齐排列了亚微米级的纵肋和纳米级的横筋结构。蚊子腿部表面具有很强的疏水性，静态接触角约为153°。理论分析

8、表明，蚊子腿表面上的微纳多级结构是其具有超疏水性和高可靠性表面承载力的根本原因。该发现对于设计具有超疏水性能的仿生自清洁表面有一定的启发作用。专业知识分享WORD格