超疏水表面课件.ppt

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1、超疏水表面姓名自然界中的两个为什么？荷叶为什么“出淤泥而不染”？水黾为什么能练就“水上飞”？超疏水表面我们先来认识“超疏水表面”。以液体水为例，通常将与水接触角小于90°的固体表面称为亲水表面，大于90°称为疏水表面；特别地，与水接触角大于150°的表面称为超疏水表面。具有超疏水的特殊浸润性表面是近年的研究热点。超疏水理论静态接触角降低固体的表面自由能，能够提高固体表面的疏水性。但是，仅仅依靠降低物质表面自由能是无法达到超疏水的。实际上，固体表面通常并不平整，表面的粗糙结构对接触角有很大影响，因此必须对表面的粗糙因子加以考虑。超疏水理论Wenzel和Cassie对

2、粗糙表面的浸润性进行了研究，并分别提出了各自的理论。假设粗糙表面具有凹槽和凸起结构Wenzel理论Cassie理论液体完全渗入到所接触的粗糙表面凹槽中每个凹槽内截留有空气，水无法渗透入凹槽内，导致空气滞留在表面凹陷处表面疏水时，增大固体表面粗糙度能增大表面的疏水性超疏水理论两种模式的示意图超疏水理论两种模式的关系对于一个具有相同粗糙度的表面，既有可能与表面发生湿式接触处于Wenzel模式，也有可能与表面发生复合接触处于Cassie模式。一般来说，如果固体表面疏水性较低，水滴容易渗入表面凹槽中而处于Wenzel模式；反之，如果固体表面疏水性高，水滴难以渗入到凹槽中将

3、空气挤压出去而处于Cassie模式。超疏水理论接触角滞后仅仅以静态接触角作为表面超疏水的判断依据不够全面，必须对前进接触角（θA）和后退接触角（θB）加以考虑。前进角总是大于后退角，两者的差值△θ=（θA-θB）称为接触角滞后。粗糙固体表面的接触角滞后，不仅与表面粗糙度的大小有关，而且与表面的具体几何结构以及该结构产生的三相接触线有关。超疏水理论接触角滞后Johnson等考察了一系列具有不同粗糙度的蜡表面，当粗糙度比较低时，随着表面粗糙度的增加，接触角滞后逐渐增大；但当粗糙度超过一个临界值后，接触角滞后则逐渐减小。这一现象的发生，正是由于粗糙度的不断增大导致水滴对

4、表面的接触方式由Wenzel模式逐渐向Cassie模式转变的结果。超疏水表面制备技术超疏水表面的制备有两种途径，一种是直接在低表面能材料表面构建粗糙结构，所使用的材料主要是氟碳化合物、硅树脂以及其它的一些低表面能有机化合物。该方法比较简单，但受到材料的限制。另一种则是通过对具有高表面能基底材料如金属、金属氧化物、无机材料等表面进行粗糙化，然后修饰低表面能的物质（如氟硅烷）。这种方式丰富了超疏水表面的制备方法，拓宽了超疏水表面的应用范围。超疏水表面制备技术不管哪种途径，构建表面粗糙结构是制备超疏水最为关键的一步，目前用于超疏水表面制作的粗糙化技术主要可以归为以下几类

5、。化学腐蚀激光刻蚀等离子体刻蚀光刻技术平版印刷术物理气相沉积化学气相沉积水热生长法电化学方法层层组装技术刻蚀法沉积法模板法溶胶凝胶法相分离法静电纺丝法纳米颗粒法超疏水表面技术存在的问题超疏水表面的研究在近几年获得飞速发展，目前已经开发出许多性能优异的超疏水性表面，但在获得广泛应用之前还有许多问题需要进行深入研究。老化问题超疏水表面在外界环境中容易受到灰尘、油性物质等污染，逐渐失去超疏水性能。稳定性问题超疏水表面具有精细的粗糙结构，容易受加工和使用过程中的冲击、摩擦等机械作用而受到损坏。制备成本问题现有的超疏水表面制备技术或者需要特殊的材料，或者需要昂贵的加工设备，

6、或者需要复杂的操作过程，大部分方法都还停留在实验室阶段，不适合用于大面积制备以适应工业需求。超疏水表面技术的发展趋势发展趋势产业化多功能化智能化解决现存问题，进行规模化生产对自然界动植物进行仿生光、电、磁、热等外界刺激响应超疏水表面技术的潜在应用潜在应用门窗玻璃超疏水薄膜涂层纺织品微流体控制生物医学揭秘“为什么”荷叶“出淤泥而不染”是其表面具有超疏水性质引起的，这种超疏水性质是荷叶表面的微米/纳米复合结构与其表面的植物蜡所产生的共同作用的结果。水黾的“水上飞”本领是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表

7、面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。化学溶液沉积法制备超疏水氧化锌薄膜氧化锌简介氧化锌（ZnO）是一种具有直接带隙宽禁带Eg=3.37eV的半导体材料，结构为纤锌矿结构，具有较大的激子束缚能。一维ZnO以其独特的光电和催化性质在光电子器件、气体及生物传感器、高效催化剂、太阳能电池等方面有着广阔的应用前景，所以超疏水性的研究对于将ZnO用于各种器件来说则非常重要。由于在光滑表面上，通过降低表面能最多只能使接触角提高至大约120°，因此，人工制备超疏水表面的关键在于构建合适的表面微细结构，而高度取向的ZnO纳米棒就成了不错的选择。化

8、学溶液沉积