超疏水材料的加工

纳米粒子增强水凝胶 汇报人 张灿导师 周应山 目录 超疏水材料的简介 超疏水材料的概念 表面的疏水性能通常用材料表面与水静态的接触角和动态的滚动角来描述 超疏水表面是指与水的接触角大于150 而滚动角小于10 的表面 超疏水表面 超疏水材料的简介 不同表面水滴接触角界面状态 超疏水材料的简介 超疏水表面形成的原因固体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同决定 化学组成结构是内因 低表面自由能物质如含硅 含氟可以得到疏水的效果 研究表明 光滑体表面接触角最大为120 左右 表面几何结构有重要影响 具有微细粗糙结构的表面可以有效地提高疏 亲 水表面的疏 亲 水性能 超疏水材料的简介 超疏水材料的制备方法 制备原理 一种是在粗糙表面修饰低表面能物质 一种是将疏水材料构筑粗糙表面 超疏水材料的制备方法 溶胶 凝胶法 静电纺丝法 化学气相沉积法 1 模板法模板法也称复制模塑法 自20世纪90年代提出以来已经得到了广泛应用 进入21世纪 复制模塑技术也深入到超疏水表面的制备研究中 尤其是在仿生超疏水表面的复制中有着独特的优势 步骤 1 复制模塑法是指先用一种预聚物A 一般为PDMS 有时也可采用溶液 复制出荷叶等超疏水植物叶片表面微结构 2 固化A并从荷叶表面剥离 得到负型结构的软模板B 然后以此软模板为图形 经过二次复制最终得到与荷叶表面特征相似的仿荷叶微结构 超疏水材料的制备方法 复制模塑技术制备仿生超疏水表面的操作示意图 超疏水材料的制备方法 超疏水材料的制备方法 2 等离子体法等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质 尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体 其运动主要受电磁力支配 并表现出显著的集体行为 等离子体是不同于固体 液体和气体的物质第四态 等离子体法原理 利用等离子体对表面进行处理 获得粗糙结构 从而得到超疏水性的材料表面 优点 快速 选择性高 表面均匀 缺点 设备昂贵 且不利于大面积制备 超疏水材料的制备方法 McCarthy等在聚四氟乙烯 PTFE 存在下 用射频等离子体刻蚀聚丙烯 PP 制备出粗糙表面 表面与水的前进角 后退角可达 A R 172 169 利用射频等离子体刻蚀法在不同刻蚀时间得到的聚丙烯扫描电子形貌图 a 0min b 30min c 60min d 90min e 120min f 180min 超疏水材料的制备方法 氧等离子体处理后的超疏水PS纳米珠阵列表面 Chen等利用纳米球刻蚀的方法首先得到了排列整齐的单层聚苯乙烯 PS 纳米珠阵列 再用氧等离子体处理以进一步减小纳米珠的尺寸从而得到粗糙表面 图18 在其表面覆盖20nm厚的金膜并用十八硫醇 ODT 进行修饰可以增强其疏水性 通过调整PS纳米珠的直径 440 190nm 可以控制表面接触角的大小 132 168 超疏水材料的制备方法 3 化学气相沉积法 原理 两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内 然后他们相互之间发生化学反应 形成一种新的材料 沉积到晶片表面上 化学气相沉积法是传统的制备薄膜的技术 特点 该方法成本较高 一般用于一些特殊材料的制备 超疏水材料的制备方法 江雷等利用化学气相沉积法在石英基底上制备了各种图案结构的阵列碳纳米管膜 结果表明 水在这些膜表面的接触角都大于160 滚动角都小于5 纳米结构与微米结构在表面的阶层排列被认为是产生这种高接触角 低滚动角的原因 利用CVD法得到的阵列碳纳米管膜的SEM照片 a b 蜂房结构 不同放大倍数 C 岛状 d 柱状 超疏水材料的制备方法 4 静电纺丝法 静电纺丝 静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式 此时雾化分裂出的物质不是微小液滴 而是聚合物微小射流 可以运行相当长的距离 最终固化成纤维 特点 静电纺丝法具有设备简单 可大面积快速制备 工艺可控等特点 适用于工业化生产 但它的一个较大缺点就是表面微结构的可控性与均匀性比较差 超疏水材料的制备方法 江雷等以聚苯乙烯 PS 为原料 制备了一种具有新颖的多孔微球与纳米纤维复合结构的超疏水薄膜 其中多孔微球对薄膜的超疏水性起主要作用 而纳米纤维则交织成一个三维的网络骨架 捆绑 住多孔微球 增强了薄膜的稳定性 利用电纺技术得到的复合结构PS薄膜 a c SEM图 d 水滴的形貌图 接触角为160 4 超疏水材料的制备方法 5 溶胶 凝胶法 溶胶一凝胶法就是采用含高化学活性组分的化合物作为前驱体 一定条件下 在液相中水解 缩聚 从而生成稳定的透明溶胶体系 溶胶陈化而胶粒间缓慢聚合 最终形成三维空间网络结构的凝胶 段辉等采用两步酸碱催化溶胶一凝胶法合成了FR Si02 PTFE复合涂层 测得该涂层的静态接触角能达到155 在扫描电镜照片上能观察到涂层表面的形貌与荷叶表面的微米与纳米相结合的双微观结构极其类似 在其中的聚四氟乙烯 PTFE 增加了凝胶网络体系的网络模数 一定程度上防止了含凝胶材料在干燥过程中网络结构遭到破坏 另外 低表面能的醇溶性氟树脂 FR 又有效降低了表面张力 同时对增大表面湿润角是有帮助的 超疏水材料的制备方法 超疏水材料的应用 新型超疏水材料的应用将十分广泛 沙漠集水 远洋轮船船底涂料 可以达到防污 防腐的效果 室外天线上 建筑玻璃 汽车 飞机挡风玻璃上 可以防积雪 自清