制备超疏水表面常用的方法.PPT

Contents 前言 对于固体来说，当液滴接触其表面时，液滴会保持它部分的形状或者在固体表面铺展开来从而形成一层薄的液膜。这一性质通常是通过测量接触角来描述的。 当水滴或者油滴在固体表面上所形成的接触角接近0°时，这样的固体表面分别被称作为超亲水(superhydrophilic)或者超亲油(superoleophilic)表面。 当水滴或者油滴在固体表面上所形成的接触角大于150°时，这样的固体表面分别被称作为超疏水(supethydrophobie)或者超疏油(superoleophobie)表面。 自然界中疏水自清洁现象 植物表面的疏水自清洁性研究 植物表面的疏水自清洁性研究 动物表面的疏水自清洁性研究 动物表面的疏水自清洁性研究 动物表面的疏水自清洁性研究 制备超疏水表面常用的方法 Barthlott和Neinhuis两位学者对“荷叶效应”最早进行了报道，由此引发了人们对超疏水材料研究的兴趣。 此后经过进一步的深入研究，人们发现材料表面的超疏水性质是材料表面的化学组成及表面结构共同作用的结果。北京化学所的江雷教授首次提出了“二元协同作用”这一概念。 根据这一概念，超疏水表面通常需要经由两步获得： (1)在材料的表面构筑粗糙结构； (2)在粗糙表面上接枝低表面能的试剂。基于这两条基本原则，许多方法被用来构建超疏水表面，其中最常用的制备手段有：层层组装法、溶液浸泡法、电化学方法、模板法和气相沉积法等。 层层组装法(Layer-by-Layer method) 溶液浸泡法(Solution-immersion method) 姚建年教授的研究团队报道了一种通过溶液浸泡法一步制备超疏水材料的方法： 将表面粗糙处理和表面接枝通过一步来完成：他们将表面光滑的铜片放在特定Ag(NH3)2]OH溶液中，经过6个小时的浸泡后，在铜片表面出现了类似于玫瑰花花瓣的结构，测试其接触角达到了156°。 电化学方法(Electrochemical deposition method) 电化学沉积法是一种简单、高效、廉价并且不受基底形状限制的制备粗糙结构的方法。 Yan等人在ITO玻璃上制备出了具有阵列结构的烷基吡咯膜由于所制备的烷基吡咯膜具有非常大的粗糙度和很低的表面能，所以具有非常好的拒水性能。 北京化学所江雷教授的研究小组报道了一种利用简单的电纺丝技术以廉价的聚苯乙烯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膜，其中多孔微区对薄膜的疏水起主要作用，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，这样就增强了薄膜的稳定性。 模板法(Template method) 清华大学的王晓工教授，通过揭起软刻蚀的方法，制备仿生的荷叶表面。 首先，他将聚二甲基硅氧烷模板的预聚体压印在荷叶的表面，在适当条件时预聚体聚合后被揭起，就得到了与荷叶表面完全相反的反相聚二甲基硅氧烷结构。 接着再以这种反相结构为模板，在高分子上面利用微接触印刷技术再次压印，得到与PDMS模板表面形貌刚好相反的高分子图案而这种图案与荷叶表面的形貌完全一致。 测试其表面接触角为156°。对比而言，平整的高分子模板表面接触角只有82°。 气相沉积法(Chemical vapor deposition method) 江雷等人报道了利用化学气相沉积法在石英基底上制备了各种图案结构，如蜂房状、柱状和岛状的阵列碳纳米管膜。 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°，纳米结构和微米结构在表面的阶层排列被认为是产生这种高接触角，低滚动角的主要原因。 Teshima等人首先利用氧等离子体对聚对苯甲酸乙二醇酯基底处理得到粗糙结构，同时是其表面富含亲水基团，再通过低温化学气相沉积法将氟硅烷接枝在亲水基团上形成疏水层。最后得到了具有透明特性的超疏水表面。 超亲水和超疏水之间智能转变的研究 这些表面润湿的极端特例并不一定是孤立的存在的，通过改变外部的条件或者内部的结构，这些性质两两之间可以发生共存或者一定的转化。 这种响应性润湿性的基础是在外界刺激下表面的活性分子在化学组成、化学结构以及极性等性质上会发生可逆的变化，这种变化能够引起表面自由能的改变，因而带来润湿性的可逆变化。然而这种变化是十分有限的，通常不能满足实际应用的需要。 因此，将响应性材料与合适的表面粗糙度结合，可以增强润湿性的响应性变化，将原来的转化进一步“放大”，从而实现类似“开关”作用的超亲水和超疏水之间的润湿性智能转变。 电场诱导的表面润湿性的转变 光响应的表面润湿性的转变 超疏水表面技术存在问题、发展趋势及应用前景 稳定性问题 超疏水表面具有微细的粗糙结构，容易受加工和使用过程中的冲击、摩擦等作用而损坏，特别是许多超疏水材料表层的微细结构跟