荷叶效应及应用_金俊.pdf

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1、《河北纺织》2007年第三期（总130期）专题研究荷叶效应及应用金俊王建坤（天津天津工业大学纺织学院300160）[摘要]：本文主要论述了荷叶效应的原理及其在各方面的应用[关键词]：荷叶效应拒水性自洁性纳米在日常生活中，当雨停了的時候，某些植物显得很湿润，而另一些植物则立刻就干了，而且显得很干净。科学家们在对植物天然表面的研究中发现，有些叶子和花的表面（动物表面也有类似现象），可以仅通过水而使其表面彻底清洗，例如通过以雨水的形式。这种能力通常称作自洁效应，因为它不用添加任何洗涤剂或者额外的机械作用。在植物中最有名、可能也是最理想

2、的代表就是荷叶。即使是从淤泥水中出来，荷叶表面也是非常干净的。1.荷叶效应机理荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基OH-、氨基NH-等极性基团，在自然环境中应该很容易吸附水分或污渍。但荷叶叶面却呈现具有极强的拒水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的"荷叶自洁效应"。1.1荷叶微观结构经过德国波恩大学的两位生物科学家的长期观察研究，终于揭开了荷叶叶面的奥妙。通过扫描电子显微镜图像，可以清晰地看到，在荷叶叶面上存在着非

3、常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”（每两个小山包之间的距离约为20－40µm）在山包上面长满了绒毛，在山包顶又长出了一个个馒头状的“碉堡”凸顶。整个表面被微小的蜡晶所覆盖（大约200nm－2µm）。因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触，由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透，26《河

4、北纺织》2007年第三期（总130期）专题研究而能自由滚动。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是"荷叶效应"能自洁叶面的奧妙所在。(a)(b)图1荷叶表面的电镜扫描图（来源：Dr.W.Barthlott,Bonn)图2不同结构表面及亲疏水性1.2材料表面润湿原理当雨滴接触荷叶表面时，荷叶表面和雨滴同时被周围的空气所包围。这样就有三种物质互相接触，固体，液体和气体。这三种物质的边界作用决定了水滴的形状和液体如何在固体表面散开，也就是如何润湿固体底面。对亲水性的粗糙表面，越27《河北纺织》20

5、07年第三期（总130期）专题研究粗糙越易被润湿，对疏水性表面，越粗糙越不易被润湿。粗糙的疏水表面使水不能进入叶子内部，仅在叶面形成水珠，水和叶子表面间的接触面积只有2%-3%,从而降低两者间的摩擦力，使水滴极易从叶面滚落而不沾污叶面，表现出良好自洁性。当液面沾有尘埃等固体微粒时，尘埃能被水润湿，沾污在水滴上，并随水滴的滚落而被洗掉。即使是疏水性污垢，也由于其与叶面上凸起部分的接触面积极小，使水和油污的黏着力大于叶面凸起部分上蜡晶与油污间的黏着力，而易于随水滴的滚落而被洗去。如果表面是光滑的，则灰尘微粒能够更强地贴附在完全光滑的

6、表面而不是水滴表面，滴落的水滴只是把它稍微推到一边。但是，如果表面是粗糙的，则灰尘将会更好的贴附于水滴表面而不是粗糙表面，然后随着水滴滚落。(a)光滑拒水表面(b)粗糙拒水表面图3雨滴去尘不同表面示意图2.荷叶效应的应用下面介绍一些荷叶效应在日常生活及工业生产中的应用。2.1荷叶效应乳胶漆荷叶效应乳胶漆就是能保持外墙面干燥清洁的一种建筑涂料，它是仿生学在建筑涂料中应用的一个例子。德国STO上市公司下属ISPO公司，根据荷叶效应机理和硅树脂外墙涂料的实际应用结果，经过三年研究工作，成功地把荷叶效应移植到外墙乳胶漆中，开发了微结构有

7、机硅乳胶漆，即荷叶效应乳胶漆。这种荷叶效应乳胶漆采用具有持久憎水性的少乳化剂有机硅乳液等一些专门物质，并形成一个纳米级显微结构，从而使其涂膜具有类似荷花叶子的表面结构，达到拒水保洁功能。荷叶和荷叶效应乳胶漆的结构比较如图4所示。可以看出，二者的结构非常相似。28《河北纺织》2007年第三期（总130期）专题研究荷叶荷叶效应乳胶漆图4荷叶和荷叶效应乳胶漆结构荷叶效应的涂料，必须同时具备3方面的特性：具有低表面能的疏水性表面；合适的表面粗糙度；低滑动角。通过两种方法可实现荷叶效应，一种就是加入超强疏水剂如氟硅类表面活性剂，使涂膜表面

8、具有超低表面能，灰尘不易黏附；另外一种就是模拟荷叶表面的凹凸微观结构设计涂膜表面，降低污染物与涂膜的接触面积，使污染物不能黏附在涂膜表面，而只能松散地堆积在表面的凹凸处，从而容易被雨水冲刷干净。2.2仿荷叶织物合适的表面粗糙度对于构建疏水性自清洁表面非常重要。根