仿生超疏水材料的介绍.ppt

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1、仿生超疏水材料的介绍IntroductionofbiomimeticsuperhydrophobicmaterialsDirectory简介01020304评价指标05制备方法应用前景存在的问题第一部分简介PART0101荷叶的自清洁效应04超疏水材料的概念0102荷叶效应形成的原因03自然界常见的超疏水现象1.1荷叶的自清洁效应“予独爱莲之出淤泥而不染，濯青莲而不妖......”,北宋理学家周敦颐在《爱莲说》这样表达了对莲花品性的热爱。莲花为什么会有出淤泥而不染的品性呢？1977年，德国伯恩大学的Barthlott和Neinhuis通过扫描电镜研究了

2、荷叶的表面结构形态（如图1所示）。揭示了荷叶表面的微米乳突结构以及蜡物质是其拥有自清洁功能的关键。研究表明，荷叶表面分布着大量微米级的蜡质微乳突结构(图a)；每一个乳突上又分布着大量纳米级的细枝状结构(图b)；而且荷叶的表皮上存在许多的蜡质三维细管(图c)，这样的微纳米复合结构，致使水滴与荷叶表面具有很低的接触面积。水滴在荷叶表面几乎呈现球形，并且可以在所有方向上自由滚动，同时带走荷叶表面的灰尘，表现出很好的自清洁效应(图d)。1.2“荷叶效应”形成的原因因此，在山包间的凹陷部分充满着空气，这就在紧贴着特面上形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层。这就使得

3、尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上的“山包”的凸顶形成几个点的接触。由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托起作用，使得水滴不能渗透，而自由滚动、雨点在自身表面张力作用下形成球状，水球在滚动过程中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“荷叶效应”的原理。a.蝴蝶的翅膀b.水黾的腿c.玫瑰花瓣d.水稻叶片e.荷叶1.3自然界常见的超疏水现象acdbe1.4超疏水材料的概念超疏水材料是一种对水具有排斥性的材料,水滴在其表面无法滑动铺展而保持球型滚动状，从而达到滚动自清洁的效果。润湿性是固体材料表面的重要性质之一，决定材

4、料表面润湿性能的关键因素包括材料表面的化学组成和表面的微观几何结构。人们对超疏水表面的认识，主要来自植物叶——荷叶表面的“自清洁”现象。科学家将这样的自清洁现象称之为“荷叶效应”。1.5制备超疏水表面的途径超疏水材料须具备较低的表面能和微纳米尺度的粗糙度。制备超疏水表面有两种主要途径：一是在具有微纳米粗糙结构的固体表面修饰低表面能物质；二是在低表面能的表面构建一定程度的粗糙度。决定固体表面亲疏液性的关键在于材料表面的化学组成，而表面的粗糙程度只是增强了这一效果。所以在构建超疏水固体表面时，一般是在低表面能表面上构建粗糙表面或者在粗糙表面上修饰低表面能的

5、物质。而人们首先从制备低表面能的物质开始研究，发现目前表面能最低的固体材料为硅氧烷和含氟材料。第二部分疏水性能的评价指标PART0101接触角02滚动角022.1.1接触角接触角(contactangle)是反映木材疏水的主要因素，接触角越大，说明材料的疏水性能越好。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。液体在固体表面的接触角，一般是固、液、气3相之间表面张力平衡的结果，这种平衡使整个体系的总能量趋于最小，从而使液滴在固体表面呈稳定状态。2.1超疏水材料的评价指标从固体表面接触角来看

6、，决定固体表面亲疏水性的关键在于材料表面的化学组成，而表面的粗糙程度只是增强了这一效果。所以在构件超疏水固体表面时，一般是在低表面能表面上构件粗糙表面或在粗糙表面上修饰地表面能的物质。表面粗糙度：Young方程式、Wenzel理论和Cassie理论影响因素表面自由能：化学结构和组成1.5.1Young方程式1805年，Young通过对物质表面亲水、疏水性的深入研究，揭示了接触角可以通过平面固体表面上的液滴在三个界面的张力下的平衡关系进行衡量，提出了著名的Young方程式：cosθ=(γsv-γsl)/γlv式中γsv、γsl和γsl分别是固-气、固-液

7、和液-气界面之间的表面张力（N/m），θ是固体表面的本征接触角（°）。Young方程式是一个理想化的模型，只适用于理想固体表面，理想固体表面是指固体表面组成均匀、平滑、不变形和各向同性，在实际应用中这种表面几乎是不存在的。对于具有一定粗糙度的固体表面而言，表面的疏水性能是表面化学组成和粗糙度共同组成。因此，其表观接触角和本征接触角存在一定的差值，认为在粗糙表面，固液实际接触面积大于表观接触面积，并假定液滴完全进入到表面结构的空腔中，所以必须考虑粗糙度对疏水性能的影响。1.5.2Wenzel理论对于实际表面来讲，必须考虑表面粗糙度对固体表面润湿性的影响。

8、1936年，Wenzel针对Young方程式存在的问题进一步研究，假设液滴可以完全充填粗糙表面