疏水性原理及机理分析

1、疏 水 性 原 理及 机 理 分 析固体表面对于液体的润湿性(Wettability,又称浸润性)是材料的重要性能 之一。通常表面润湿性用接触角(Contanct Angle, CA) 9来衡量,它是指液体 在材料表面固、液、气界面表面张力平衡的结果,一般来说如果液体能够闾湿 材料表面，则0 e 称为亲水(Hydrophilic)或亲油(Oleophilic)表面; 如果液体不能润湿材料表面，则90eIS0,称为疏水(Hydrophobic)或疏 油(OleophoMc)表面。近年来对材料表面润湿性的研究.特别是对-些特异性 润湿表面的研究引起了人们的极大兴趣例如超疏水(Superhydrop

2、hobic)或超 疏油 CSuperoleophobic)表面(l50fl G 180a)和超亲水 CSuperhydrophilic)或 超亲油(SuperMe叩回犯)表面(B5)，由于其表面具有极强的亲液或憎液能 力而有广阔的应用前景小叫另外，判断固体表而的疏水性能时，还应该考虑到 它的动态过程，般用滚动角(Sliding Angle)来衡量互当材料的表面具有较高 的接触角(15061SOU)和较低的液动角(小于10)时，就可以具备优越的 自清洁性能，并在学术领域和实际应用中具备重要的价值4七超疏水材料由于其优异的超疏水性能，在国防、工农业生产和日常生活中都 有着极其广阔的应用前景.例如.

3、将其应用到汽车 飞机等的挡风玻璃，不仅可 以减少空气中灰尘等污染物的污染.还能够使其在高湿度环境或雨天保持干燥， 应用在高降雪地区的室外天用上,可以防止积雪以保涯信号的畅通；用于微流体 装置中，可以实现对流体的低阻力、无漏损传送I用于水中运输工具或水下核潜 艇匕可以减少水的阻力，提高行驶速度；也可用它来修怖纺织品，做防水和防 污的服装等m |七特别是近年来，由于工业油污水和水面漏油事故对环境造成的 危害，使得具有超疏水/超亲油性能的仿生纳米材料.成为研究用于油水分离的 热点之一.大仍对超疏水的研究源于自然界中瞳物表面的白清洁性能.Barthlott W叶 等人通过观察植物叶表面的微观结构，认为

4、植物叶表面具有自清洁特征是由粗槌 表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的基于这一思想，日前 制备超疏水涂层主要有两条途径：一是在粗糙表面修饰低表面能的物质| :是在 低表面能物质上构造微纳米级的粗鼬度.随着现代工艺的发展.构造规整的微纳 米级的粗糙度已经成为可能，研究人员在这些可控的粗糙表面上又得到了超疏油、 超亲水和超亲油表面这对材料表面润湿性的研究是-大进步，同时关了渡面的 润湿原理也展开了激烈地探讨，对目前占主导地位的两种理姓模型.即Wenzel模型和Ca粕ie模型进行了批判性地继承1巧剧尽管如此，到目前为止还没有哪一 种模型能准确地推断出接触角的关系式，很多推导也都是基于各

5、自的实验，很难 适用于更为复杂的实际表面。物竞天择，适者生存。大自然中的植物和动物经过自然界数千年的演化与选 择，生物界不仅保存了多样性，而且还奇迹般的创造出各种各样的特异功能。自 然界中一些植物如荷叶、银泽菊叶、玫瑰花、水稻叶、花生叶等具有良好的疏水 性，当水滴滴落到其表面上时，能够迅速溶解其表面上的灰尘，而液体又难以浸 润其表面，因而溶有灰尘的液体极易从这些植物叶的表面滚落，从而使其洁净， 这就是所谓的“自清洁功能”，也即“荷叶效应”1向：一些鸟类及家禽的羽毛、 蝴蝶的翅膀、水龟的腿、蚊子的眼睛等也具有良好的疏水性，而且水滴在上面呈 现各向异性，能够防水、防雾叫虬它们的独特性能激起了人们强

6、烈的使用欲望， 人们模仿、利用它，并探索其具备超疏水性能的原因，科学家们通过模仿某些具 有特别功能的植物或动物的微表面结构，而制备出了具有类以结构的超疏水波面。雨后的荷叶会显得非常的清新和结净，这是因为雨滴落在荷叶上后会自动聚 集水珠，水珠的滚动可以使荷叶表面上的尘土、污泥等污染物粘附在水珠上滚出 叶面，从而清除掉了荷叶上所吸附的污染物，使得荷叶能够保持洁净，如图1-1 (a)所示。这是因为荷叶具有优异的超疏水性能和非凡的自清洁功能，这些特 性并被命名为“荷叶效应”(Lotus Eftcct),并引起了研究工作者们极大的兴趣。 二十世纪九十年代初，德国波恩大学生物学家Neinhuis和Bart

7、hfott借助扫描显 微镜(SEM)首次报道了荷叶表面的微观结构并得以解释四均。如图(b) 所示，荷叶的自清洁性能归因于荷叶粗糙表面微米结构的乳突和乳突表面覆盖的 蜡质晶体阪2气在这些微小的凹凸之间，储存着大量的空气。当水滴到荷叶上 时，由于空&层、乳突和蜡质层的共同托持作用，使得荷叶与水的接触角高达 161,滚动角低至2。，水滴不能渗透并能自由滚动泌J。Jiang闵在进一步的研究后发现在荷叶表面微米乳突结构上还存在纳米结构， 正是由于二者阶层结构的有机结合使荷叶具备超疏水性质和自清洁能力。也正是 成为此特殊的微纳米复合结构和其表面的蜡质晶体共同作用，很大程度上减小了 荷叶表面与液体的接触面积

8、，从而使荷叶上的灰尘、粉尘和油脂等不易粘附在荷 叶表面而又易被滑落的水滴带走。(a)(b)图1-1网 J)自清洁荷叶表面；(b)(a)(b)图1-1网 J)自清洁荷叶表面；(b)荷叶的SEM图片:(c)自清洁银泽菊叶表面：(d)银泽菊叶的SEM图片银泽菊叶I圳是自然界中另-种疏水性能优良的植物，在植物的表面具有凹 凸起伏的沟槽，其表面与水的接触角可达到147,如图1-1(C)所示。在图1-1 (e)中，银泽菊叶的表面由直径约6 pm的弯曲纤维随机排列组成，这些纤维是 由表皮层的单细胞或者多细胞结构形成的，从次层结构可以看到大量沿纤维轴向 的直径约200 nm的沟槽网除了植物的叶片之外，许多昆虫

9、，比如水沌、蝴蝶、蝉等的身体都具有超疏 水性部位|233，10水海的腿具有一种非凡的超疏水性能，可以使得它非常容易地 在水面上站立和行走，如图l-2(a)所示。水沌每只腿可以在水面上产生152 dyn, 相当于自身体重15倍的支撑力。江雷研究小组的研究结果如图1-2 (b)所示， 水海具备的优良疏水特性其实源于其腿上的微纳米复合结构。扫描电镜分析显示 它的腿是由无数直径在微米级别上的针状的刚毛组成，而每个刚毛上面又有许多 精细的纳米尺度级的凹槽，从而构成了特殊的微纳米复合阶层结构。因为空气会 附者在针状刚毛空隙和刚毛上纳米尺度的沟槽里，在其表而形成稳定的气膜从而 有效阻碍了水滴的浸润，能够具备超疏水特性获得高的表面张力而能够在水面上 快速行走网.另外，水稻叶、芋头叶的表面也具有