超疏水材料发展趋势(行业教学)

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化学刻蚀法
化学刻蚀法是指用不同组成的刻蚀试剂对金属或者合金表面进行
侵蚀，利用晶格缺陷或合金不同成分耐腐蚀性差异进行选择性刻蚀， 通过控制刻蚀试剂浓度和刻蚀时间，得到合适的微观粗糙结构，然后 再用低表面能物质修饰，制备成超疏水表面。李艳峰等用盐酸刻蚀铝 合金，刻蚀后铝合金表面呈现出由矩形的凸台和凹坑构成的复杂粗糙 表面结构，经氟化试剂表面改性后，水滴接触角在156°左右，滚动 角为5°左右。
在倾斜表面，在水滴即将滚落下的临界状态下，水滴前部和尾部形 成两个不同的接触角θa和θr。接触角滞后值是这两个角的差值，可以用 于表征固体表面所呈现出的亲－ 疏水状态。液滴的滚动特性随着该接触 角的滞后值的上升而减弱。
综上所述，固体与液体的相互浸润性的好坏及其所表现出的亲－ 疏 水性是由接触角和滚动角两者共同表征。接触角越大和滚动角越小说明 材料表面的疏水性越强。
90°<θ<150°为疏水性表面，150°<θ<175°为超
疏水表面，I75°<θ<180°为极端疏水表面，而当
θ=180°的表面称之为完全疏水表面。因此，用接
触角就能比较直观、方便的来描述固体表面疏水性
的优劣。
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滚动角
上面所描述的接触角所表征的是水滴在水平面上的表现，而现实中 的平面往往不是水平的，更多的是斜面。水滴在倾斜表面上可能滚动或 停滞，这种状态可以用滚动角进行表征。所谓滚动角是指液滴在固体表 面开始滚动时的临界表面倾斜角度α( 如图所示) 。若液滴开始滚动的倾斜 角越小，表明此表面的超疏水性越好。
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超疏水表面在日常生活用品、公共建筑、乃至国 防航空等方面有着广泛的应用。另一方面，作为一种 典型的界面现象，表面浸润性在界面化学、物理学、 材料学、界面结构设计以及其它交叉学科的基础研究 中也有极为重要的研究价值。由于其重要性，各行业、 各领域的专家及科研人员都开始加入到这方面的研究 和探索中，目的是将仿生学所得到的成果应用到改善 我们的生产和生活中去，为大众服务。
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二、超疏水的基本原理
目前，人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材
料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，
我们可以将材料进行如下分类:当接触角小于90°时，我
们认为这种材料是亲水材料;如果水滴在材料表面的接触角
小于5°，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和
双氧水(体积比为7: 3）处理过的硅片，水滴在它的上wenku.baidu.com会
重点是超疏水表面。
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接触角
接触角是表征固体表面疏水性优劣的指标之一， 通常情况下，在不完全润湿性表面会形成一个冠形 液滴，如图所示。
当气、液、固三相接触达到平衡时，在三相接
触的公共点处作液一气界面的切线，我们把此切线
与固一液界面的夹角称为接触角(θ)。如果固体表面
的接触角θ< 90°，此表面描述为亲水性表面，
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电化学方法
X.Zhang等采用电化学方法，聚合物电解质对硅片表面 进行修饰以后，基底硅片表面上覆盖了大量金的树枝状分形 结构，制得表面具有较大接触角及较小滚动角，这说明了被 金树枝状结构覆盖的表面具有非常好的超疏水性能。
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三、超疏水材料的制备方法
0 1 模板法
0 3 电化学方法
0 5 其他方法
0 2 化学刻蚀法 0 4 化学气相沉积法
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模板法
这种方法是一种来自于化学仿生学中制备纳米材料的方法，它的基本 思想就是以某种粗糙的微纳米结构固体表面为基底，然后将易软化材料在 它的表面固化，之后就能得到和基底表面反向印相信息的粗糙纳米结构;有 的也以有机分子或它的自组装体系作为模板剂，在某种溶剂中，经过范德 华力、离子键与氢键等协同作用下，模板剂就会对游离在溶剂中有机前躯 体进行一定的引导，这样就能得到有序具有纳米结构的粒子或薄膜。江雷 等用模板法，合成了聚乙烯醇和聚丙烯腈的纳米纤维序列膜，就是采用多 孔氧化铝作为模板，这种纳米纤维序列膜接触角值能高达173.8°。
金美花等也是利用多孔氧化铝为模板，有机高分子聚合物在多孔氧化 铝的模板中孔道的内壁上附着，得到了聚苯乙烯的纳米阵列薄膜，这种膜 的静态接触角达到162 °。
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模板法不需要复杂加工设备，模板可以使用多次，但也 有不足之处，如复杂形状的表面用模板法制备较困难且效率 低;用PDMS复型得到的软模板力学性能不佳，在使用过程中 会出现坍塌、撕裂或粘连等现象，复型难以达到精确控制， 无法复制精度小于50nm的微细结构。目前，用模板法制备 超疏水表面以聚合物超疏水表面为主，实验结果仍停留在实 验室阶段，制备大面积超疏水表面的工作仍有一定难度。
超疏水材料发展趋势
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目录
0 1 引言
0 2 超疏水的基本原理
0 3 超疏水材料的制备方法
0 4 超疏水材料的应用
0 5 超疏水表面材料存在的问题及发展趋势
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一、引言
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引言
在大自然中有着许多值得人类探索和学习的现象，人们
把这类现象加以研究并运用到改善生产和生活中，统称为仿 生学。
立刻铺展开，展示出超亲水的性质;当材料表面接触角大于
90°时，我们认为这种材料是疏水材料;如果材料的表面
接触角大于150°，滚动接触角小于10°，那么我们认为
这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水
滴在其表面的接触角大于150°，不能稳定停留，极易滑
落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。我们研究的
许多动植物的外表所具有的自清洁功能的现象，具有这
类现象的最典型的例子就是出淤泥而不染的荷叶表面。自然 界中许多动植物都具有这类功能，诸如鸟类的羽毛、水黾 （min）的腿部以及蝴蝶的翅膀等。在宏观上这些组织或者 器官均表现出水的极难浸润与挂壁。其原因在于它们的表面 具有超疏水性的组成与结构，因此这类材料被称为超疏水性 材料。
Baitai Qian等利用beck's位错刻蚀剂腐蚀Al, Zn, Cu多晶型金属， 再进行表面氟化从而制得最高接触角156°，滚动角和滞后角都很小 的超疏水表面。
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化学刻蚀法制备超疏水表面有较好的选择性，并 且可以对复杂形状的物体表面进行刻蚀，效率高，成 本低，但也有不足，如过度刻蚀对表面造成损伤，破 坏基体材料的力学性能，刻蚀过程中会产生废液，需 要处理。