微纳米结构复合表面的疏水-冰性能.pdf

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1、Vol-35高等学校化学学报No．52014年5月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES1011～1015doi：10．7503／ejcu20140050微纳米结构复合表面的疏水一冰性能文孟喜，郑咏梅(北京航空航天大学化学与环境学院应用化学系，北京100191)摘要通过软复型和水热法制备出一种由有机材料和ZnO纳米棒组成的微纳米结构复合表面，这种表面的微米结构是周期为300I,zm、高度为70m的锯齿状结构，ZnO纳米线的直径为300—500nm，长度为2～3m．这种有机材料和ZnO纳米线复合成的

2、表面经过全氟硅烷修饰后，具有良好的低黏滞特性和低温超疏水性(约为150。)以及较长的结冰延时性(6000～7630s)，实验结果对设计表面低温疏水／疏冰材料具有参考价值．关键词微纳结构；复合表面；防冰；防雾；低黏滞；超疏水中图分类号0647文献标志码A在自然界许多生物中，微纳复合表面扮演着不可或缺的角色，如荷叶的自清洁HJ、蝴蝶翅膀上液滴的定向滚离以及水黾在水面上行走等．这些奇特的自然现象引发了许多学者探索材料表面的润湿性_3，人们发明了大量人工合成的特征表面来获取具有良好超疏水性和防冰性能的材料¨卜”J，其中大部分是采用在表面接

3、枝修饰含氟有机涂层的方法来达到超疏水的目的，这种方法获得的材料在常温下有非常好的超疏水性，但在低温条件下超疏水性就会消失．在实际生活中，在某些条件下需要具有低温超疏水性和防冰性能的材料，如冰箱、高压输电线路、轮船甚至航天发动机等¨．人们采用各种方法来探索防冰材料，如晶体生长法、激光刻蚀法以及涂层等方法J，但仍未获得防冰性能稳定的材料．文献[19，20]报道在材料表面种植一层致密的ZnO纳米线阵列，再修饰一层低表面能物质制备出的材料，不但具有良好的超疏水性，而且具有很好的结冰延时性_】．尽管这种纳米结构的表面有很高的接触角和长的结冰

4、延迟时间，但由于表面的黏附性较高，表面冷凝的液滴很难滚动．文献[21]报道在金属材料表面制备出的微纳复合结构也具有良好的防覆冰效果．但这一方法只能应用于金属材料表面．以有机材料为基底的防覆冰材料尚鲜见报道．本文报道了一种以有机材料为基底的具有稳定防冰性能的表面，这种表面是由有机材料和无机材料混合而成的．采用软复型的方法用金属模板在有机材料基底上复型出规则的微米结构；然后采用水热生长法在微米结构上制备一层致密的ZnO纳米线阵列；采用真空蒸镀的方法在微纳复合表面蒸镀一层氟硅烷，降低其表面能，获得了超疏水表面．由于有机材料具有很好的延展

5、性、绝缘性以及绝热性，所以与金属表面相比，以有机材料为基底的防覆冰表面应用范围会更加广泛．1实验部分1．1试剂与仪器聚偏氟乙烯(PVDF，M=5．3×10，Aldrich公司)；六次甲基四胺(北京伊利精细化学品有限公司)、六水合硝酸锌和乙醇胺(北京化工厂)、乙二醇甲醚、醋酸锌均为分析纯，购于北京蓝弋化工产品有限公司．收稿日期：2014-01—16．基金项目：国家教育部博士点专项基金(批准号：20101102110035，20121102110035)和国家自然科学基金(批准号：21234001)资助联系人简介：郑咏梅，女，博士，教

6、授，博士生导师，主要从事仿生表面的各向异性及浸润性材料的研究E-mail：zhengym@buaa．edu．121"1文盂喜等：微纳米结构复合表面的疏水一冰性能2．2表面润湿性图2(A)为4种表面在一lO～0℃条件下的接触角示意图．可以看出，MN表面在低温时接触角一直稳定在150。左右，N表面在低温时接触角稳定在138。左右，而M表面和S表面接触角则分别稳定在125。和120。左右．与其它3个表面相比，在低温时MN表面的接触角仍然大于150。，处于超疏水状态．结果可以用Cassie-Baxter方程来解释：cos0=(cos0A+

7、1)一1式中，0’为液滴的实际接触角，厂A是表面固体接触面积占表面总面积的比例，0为液体在平滑表面的接触角．可见越小的表面，液滴接触角0越大．在4种平面结构中，MN表面的．厂^最小，因此MN表面的接触角最大．图2(B)是4种表面在一10℃时前进角和后退角的示意图．可知MN，N，M和S4种表面的前进角／后退角的数值分别约为153．9~／146．7。，140．2~／130．9。，129．6。／115．7。和126．5~／113．3。．MN表面的前进角与后退角的差值为7．2。，其它几个表面的前进角与后退角差值都大于10。，这在理论上证明

8、液滴在MN表面比较容易滚动．e言三2Fig．2Watercontactangles(CA)onfoursurfaceswithtemperaturesfrom一10℃to0℃(A)andadvancingcontactangle(ACA)／rece