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《超疏水性材料表面的制备_应用和相关理论研究的新进展.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第11期高分子通报!105!超疏水性材料表面的制备、应用和相关理论研究的新进展1111121*范治平,魏增江,田冬,肖成龙,孙晓玲,陈承来,刘伟良(1.山东轻工业学院材料科学与工程学院,玻璃与功能陶瓷加工与测试技术山东省重点实验室,济南250353;2.山东省聊城水文局,聊城252055)摘要:文章总结了Wenzel方程、Cassie方程及一种具有极高精确度的,可方便测出固体表面上液滴前进角和后退角的测试方法等超疏水表面的最新理论研究成果;回顾了溶胶凝胶法、化学修饰法、喷涂法、液相法、化学蚀刻法、水热法、微相分离法、原位聚合法、静电纺丝法、阳极氧化法等近几年出现的
2、超疏水表面的制备方法;介绍了在微物质能量、生物医学、光学、燃料以及电池应用等领域超疏水表面的最新功能性的应用。最后,客观地展望了超疏水表面制备及理论研究的发展方向。关键词:超疏水;超疏水表面;仿荷叶;微纳米结构;接触角一般认为水滴接触角大于150的表面称为超疏水表面。超疏水表面的制备通常包括粗糙表面的制备和使用低表面能物质对粗糙表面进行修饰这两个步骤。随着实验技术的不断革新,一些添加剂、助剂的使用,使得制备工艺进一步完善,进而得到了一些简单、可操作性强且产出成品性能良好的制备方法。近年来,超疏水表面凭借其特有的自清洁性及良好的生物相容性,受到了更加广泛的关注。本文介绍了超疏水表面的理论
3、研究进展,探讨了多种新型制备方法及其功能性的应用。1超疏水理论进展浸润性是固体表面重要的特性,接触角是衡量固体表面浸润性的主要指标。最早描述液滴在固体表[1]面接触角的是杨氏方程,说明了接触角与固体表面能的关系。s,g=s,l+g,lcos(1)公式(1)s,g、s,l、g,l分别为固气、固液、气液间的界面张力。[2,3]Wenzel对杨氏方程进行了修正,指出由于实际情况下材料表面粗糙不平,使得实际接触面积要比理想表面积大,为此提出了Wenzel方程:cos=r(s,g-s,l)/g,l(2)公式(2)中:r=实际接触面积/表观接触面积。与杨氏方程相比,cos=rc
4、os称为表观接触角,为杨氏接触角。显然r>1,根据Wenzel方程可知,对于疏水表面来说粗糙的表面会更疏水。[4]Cassie等认为水滴在粗糙表面接触存在两种界面:水滴与固体界面以及由于毛细现象水滴无法进入微孔而形成空气垫从而形成的水滴与空气垫界面,并认为水滴与空气垫的接触角为180,因此,提出粗糙表面的水滴的接触角为:cos=f1cos-f2(3)式中,f1、f2分别为粗糙表面接触面中液固界面的面积分数与气固界面的面积分数。[4]Cassie等还研究了固体光滑表面不均一组分对疏水性的影响,认为非均一组分表面的疏水性是各组分疏水性的加和,表观接触角与各组分本征接触角i的关系如
5、下:cos=a1cosl+a2cos2(4)ai是构成表面各组分的重量分数,a1+a2=1。基金项目:山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(2007BS04007);山东轻工业学院博士科研启动基金资助;作者简介:范治平(1984-),男,硕士研究生;*通讯联系人,Tel:053189631229;Email:liuwl@sdili.edu.cn.!106!高分子通报2010年11月判断表面的疏水效果时,还应考虑水滴是否容易滚落。前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后,接触角滞后越小说明液滴越易于滚落。接触角滞后的研究具有重要的理论和应用价值,一般认为接触角滞后主要是
6、由表面粗糙度、化学不均等因素引起的。一个液滴要从倾斜表面滚落,重力必须克服表[5]面张力。Furmidge等提出了计算液滴在表面自发移动所需倾角的计算方程:mgsin=k!lv(cosr-cosa)式中m为液滴的重量,g为重力加速度,k为常数,!为液滴与表面接触直径,a和r分别是前进角和后退角,lv是气液表面张力,是表面倾斜的角度。由前进角和后退角的值可以计算出能使液滴滚动的表面最小倾角。由公式可以看出,接触角的滞后越小,能使液滴发生滚动的最小倾角就越小,即液滴越容易从表面滚落。[6]Restagno等设计出一种全新的、可以方便地测出固体表面上液滴前进角和后退角的测试方法,并
7、且具有极高的精确度。实验用全氟物质修饰表面,以两种不同的液体作为测试液,并且通过计算建模方式对该技术进行了细致的阐述,从而确定了接触角的值。此技术方法简单,有较强的可操作性,尤为适合低接触角滞后的表面。2超疏水表面的制备方法超疏水表面的制备方法近年来也得到了很大的发展,常见的有溶胶凝胶法、化学蚀刻法、化学沉积法、模板法等等,人们利用这些方法得出了不少性能优异的超疏水表面。2.1溶胶凝胶法[9]Fang等用
