超疏水材料-共28页PPT资料课件.ppt

1、 超疏水材料超疏水材料n1 1 超疏水？超疏水？n2 2 自然界中的超疏水现象自然界中的超疏水现象n3 3 超疏水的理论分析超疏水的理论分析n4 4 超疏水表面的制备方法超疏水表面的制备方法n5 5 超疏水材料的应用与展望超疏水材料的应用与展望1 1 超疏水超疏水?n自然界不会活性聚合，也不会乳液聚合，自然界不会活性聚合，也不会乳液聚合，却可以有着比任何人工合成材料更好的疏却可以有着比任何人工合成材料更好的疏水性能水性能所谓所谓“超疏水超疏水”的生命现象的生命现象.超疏水与静态接触角超疏水与静态接触角n疏水：接触角疏水：接触角大于大于90900 0。n超疏水：接触角超疏水：接触角大于大于150

2、1500 0；疏水性的表征量疏水性的表征量n静态接触角：静态接触角：越大越好越大越好n滚动角：滚动角：越小越好越小越好如何获得疏水如何获得疏水/超疏水表面？超疏水表面？n固体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同固体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同决定：决定：n化学组成结构是内因：化学组成结构是内因：n低表面自由能物质如含硅、含氟可以得到疏水的效低表面自由能物质如含硅、含氟可以得到疏水的效果。果。现代研究表明，光滑固体表面接触角最大为现代研究表明，光滑固体表面接触角最大为1201200 0左右。左右。n表面几何结构有重要影响：表面几何结构有重要影响：n具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高

3、疏（亲）具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高疏（亲）水表面的疏（亲）水性能水表面的疏（亲）水性能2 2 自然界的超疏水现象自然界的超疏水现象n20192019年，年，BarthlottBarthlott和和NeihuisNeihuis认为：认为：自自清洁的特征是由于清洁的特征是由于粗糙表面上的微米粗糙表面上的微米结构的乳突以及表结构的乳突以及表面蜡状物的存在共面蜡状物的存在共同引起的；同引起的；n乳突的平均直径为乳突的平均直径为59um59umn微米结构下面还存在微米结构下面还存在纳米结构，二者相结纳米结构，二者相结合的阶层结构才是引合的阶层结构才是引起表面超疏水的根本起表面超疏水的根本原因。

4、原因。n单个乳突由平均直径单个乳突由平均直径为为120 nm结构分支结构分支组成；组成；荷叶表面的微荷叶表面的微/纳米复合结构纳米复合结构超疏水的蝉翼表面超疏水的蝉翼表面n蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成纳米柱的直径大蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成纳米柱的直径大约在约在80 nm80 nm，纳米柱的间距大约在，纳米柱的间距大约在180 nm180 nm规则排列纳米突规则排列纳米突起所构建的粗糙度使其表面稳定吸附了一层空气膜，诱导了起所构建的粗糙度使其表面稳定吸附了一层空气膜，诱导了其超疏水的性质，从而确保了自清洁功能，其超疏水的性质，从而确保了自清洁功能，超疏水各向异性的水稻叶子超疏

5、水各向异性的水稻叶子n水稻叶表面存在滚动的各向异性，水滴更容易沿水稻叶表面存在滚动的各向异性，水滴更容易沿着平行叶边缘的方向流动着平行叶边缘的方向流动超疏水的水黾腿超疏水的水黾腿n水黾，通过其腿部独特的微纳米复合阶层结构实水黾，通过其腿部独特的微纳米复合阶层结构实现超疏水和高表面张力现超疏水和高表面张力10mda10me10mcf200nmb1mmba3 3 表面粗糙度对接触角的影响理论研究表面粗糙度对接触角的影响理论研究n通过对自然的仿生研究，发现接触角不仅与通过对自然的仿生研究，发现接触角不仅与膜的表面能有关，而且还与膜表面形貌有关膜的表面能有关，而且还与膜表面形貌有关 nWenzelWe

6、nzel模型；模型；nCassieCassie理论；理论；Cos*=r=粗糙表面下的液滴接触角粗糙表面下的液滴接触角与界面张力的关系与界面张力的关系WenzelWenzel模型：粗糙表面的存在，使得实际上固液模型：粗糙表面的存在，使得实际上固液相的接触面要大于表观几何上观察到的面积，从相的接触面要大于表观几何上观察到的面积，从而对亲而对亲(疏疏)水性产生了增强的作用水性产生了增强的作用表观表面面积实际表面面积LVSLSV)-r(Cassie模型：气垫模型(由空气和固体组成的固体界面)Cos=fcos+(1-f)cos180 =fcos+f-1f=a/(a+b)f为水与固体接触的面积与水滴为水与

7、固体接触的面积与水滴在固体表面接触的总面积之比在固体表面接触的总面积之比粗糙表面下的液滴接粗糙表面下的液滴接触角与触角与f 的关系的关系4 超疏水表面的制备n超疏水性表面可以通过两种方法制备：超疏水性表面可以通过两种方法制备：n一种是在粗糙表面修饰低表面能物质；一种是在粗糙表面修饰低表面能物质；n一种是将疏水材料构筑粗糙表面一种是将疏水材料构筑粗糙表面1)模 板 法n在表面具有纳米或微亚米孔的基板上，制造粗糙在表面具有纳米或微亚米孔的基板上，制造粗糙涂层。涂层。nJingJing等在多孔硅材料表面通过偶氮链引发，形成共价键等在多孔硅材料表面通过偶氮链引发，形成共价键结合的全氟化聚合物自组装单分

8、子层，基本不改变多孔结合的全氟化聚合物自组装单分子层，基本不改变多孔材料的表面粗糙度，得到粗糙的低表面能表面材料的表面粗糙度，得到粗糙的低表面能表面 。nGuoGuo等以多孔阳极氧化铝为模板，采用模板滚压法，制等以多孔阳极氧化铝为模板，采用模板滚压法，制备了聚碳酸酯备了聚碳酸酯(PC)(PC)纳米柱阵列表面，通过纳米柱阵列表面，通过PcPc分子的再取分子的再取向，在亲水的向，在亲水的PcPc上得到疏水的上得到疏水的PCPC表面表面 。nYamamotoYamamoto等用等用1H1H，1H1H，2H2H，2H2H全氟辛三氯甲硅烷全氟辛三氯甲硅烷处理阳极氧化铝表面，对水的接触角为处理阳极氧化铝表

9、面，对水的接触角为1601600 0，用氟化单，用氟化单烷基膦处理同一表面，对菜籽油的接触角为烷基膦处理同一表面，对菜籽油的接触角为1501500 0 。2)粒子填充法n利用原位复合技术，在疏水性材料中引入纳米或微纳米粒利用原位复合技术，在疏水性材料中引入纳米或微纳米粒径的粒子，改变涂层表面形貌，提高涂层的疏水性能径的粒子，改变涂层表面形貌，提高涂层的疏水性能:nMitsuyoshiMitsuyoshi等，采用平均粒径等，采用平均粒径5 nm5 nm的的TiO2TiO2纳米粒子，分纳米粒子，分散在全氟聚合物组分中，表面粗糙和低表面张力的结果，散在全氟聚合物组分中，表面粗糙和低表面张力的结果，导

10、致涂层表面具有超疏水性导致涂层表面具有超疏水性 。nThies Jens ChristophThies Jens Christoph等采用等采用10 nm10 nm15 nm15 nm活性无机纳米活性无机纳米二氧化硅粒子，以含丙烯酸的三甲氧基硅烷做偶联剂，二氧化硅粒子，以含丙烯酸的三甲氧基硅烷做偶联剂，氢醌一甲基醚为纳米粒子在甲醇溶液中的悬浮稳定剂，氢醌一甲基醚为纳米粒子在甲醇溶液中的悬浮稳定剂，加入少量水加入少量水(纳米粒子总量的纳米粒子总量的1 17 7)以利于硅烷的接枝以利于硅烷的接枝反应。在反应。在6060下，回流搅拌下，回流搅拌3 h3 h以上。接着加入甲基三以上。接着加入甲基三甲氧

11、基硅，继续回流甲氧基硅，继续回流1 h1 h，加入脱水剂三甲基原甲酸酯回，加入脱水剂三甲基原甲酸酯回流流1 h1 h以上。所得涂层对水的接触角大于以上。所得涂层对水的接触角大于1501500 0。n。3)选择溶剂的相分离法n特定结构和组成的含氟丙烯酸酯共聚物，特定结构和组成的含氟丙烯酸酯共聚物，通过选择适当溶剂溶解，使共聚物在成膜通过选择适当溶剂溶解，使共聚物在成膜过程中发生相分离，形成具有阶层结构的过程中发生相分离，形成具有阶层结构的粗糙表面，从而表现出超疏水性。粗糙表面，从而表现出超疏水性。溶剂种类溶剂种类PMMA溶溶解度情况解度情况PFMA溶解溶解度情况度情况接触角大接触角大小小THF溶

12、解溶解不溶解不溶解150 n溶剂种类对膜疏水性能的影响溶剂种类对膜疏水性能的影响a)溶剂中聚合物粒子的形态溶剂中聚合物粒子的形态 b)干燥成膜时聚合物的形态干燥成膜时聚合物的形态含氟大分子链段微溶解，含氟大分子链段微溶解，PMMA链段呈核状卷曲链段呈核状卷曲随溶剂挥发，聚合物小球随溶剂挥发，聚合物小球之间很难互相渗透，形成之间很难互相渗透，形成纳米级粗糙表面纳米级粗糙表面溶剂挥发溶剂挥发超疏水膜的接触角超疏水膜的接触角 a)无热处理无热处理 b)热处理热处理2h c)热处理热处理6h 146 b)155 c)151 滚动角滚动角5 滚动角滚动角180时仍不滚时仍不滚 滚动角滚动角5 氟丙烯酸酯

13、聚合物超疏水材料未热处理膜的未热处理膜的SEM照片照片 热处理热处理2h后膜后膜SEM照片照片热处理热处理6h后膜的后膜的SEM照片照片氟元素大量聚集，形成海岛结构，对水滴的高黏附力消失氟元素大量聚集，形成海岛结构，对水滴的高黏附力消失4）超疏水表面的制备:其他方法n等离子体聚合（刻蚀）；等离子体聚合（刻蚀）；n微波等离子体增强化学气相沉积；微波等离子体增强化学气相沉积；n表面微加工；表面微加工；n模板挤出法；模板挤出法；n溶胶凝胶法；溶胶凝胶法；n新型超疏水材料的将十分广泛：新型超疏水材料的将十分广泛：n室外天线上，可以防积雪；室外天线上，可以防积雪；n远洋轮船，可以达到防污、防腐的效果；远洋轮船，可以达到防污、防腐的效果；n石油管道的输送；石油管道的输送；n用于微量注射器针尖，可以完全消除昂贵的用于微量注射器针尖，可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由此带来的对针尖的药品在针尖上的黏附及由此带来的对针尖的污染；污染；n防水和防污处理；防水和防污处理；5 超疏水材料的应用与展望 Thank you