超疏水材料介绍
从自然到仿生的疏水超疏水界面材料
从自然到仿生的疏水超疏水界面材料自然界中存在着许多疏水性极强的物体，比如荷叶、莲花等，它们在接触水的时候会形成水珠，水滴很难在它们表面停留，这种现象被称为“莲叶效应”。
在过去的几十年里，科学家们借鉴了自然界的疏水性特点，研发出了各种仿生的疏水超疏水界面材料，具有广泛的应用前景。
一种常见的仿生疏水超疏水界面材料是由微纳米结构构建而成的，这些微纳米结构可以增加物体表面的粗糙度，从而增大表面与水接触时的接触角，使水珠在物体表面形成较大的接触角，从而实现疏水性。
其中，仿生疏水材料的关键是构建具有微纳米级结构的表面，以实现水珠的快速排泄。
在这方面，研究者们借鉴了自然界中一些具有疏水性的生物材料，比如蜡叶、蜘蛛网等，利用其微纳米结构的特点，研发出了许多具有高疏水性能的仿生疏水超疏水界面材料。
除了微纳米结构，疏水超疏水界面材料还可以包含一些特殊的化学成分，以增强其疏水性能。
例如，研究人员发现一种叫做疏水氟烷的化合物能够在界面上形成稳定的凝胶层，从而实现超疏水性。
将疏水氟烷与微纳米结构相结合，不仅可以在物体表面形成稳定的超疏水层，还可以增强物体表面的抗污染性能。
疏水超疏水界面材料具有广泛的应用前景。
例如，它们可以应用在船舶、飞机等交通工具的表面上，减少水的阻力从而提高运动效率。
此外，它们还可以应用在建筑物的外墙、玻璃窗等表面，减少污染物的沾附，保持干净。
在医学领域，疏水超疏水材料被应用在人体假体表面，以防止细菌和其他微生物的滋生，从而减少感染风险。
除此之外，疏水超疏水界面材料还可以用于水处理和油水分离等领域。
综上所述，自然界中的疏水性物体为科学家们研发疏水超疏水界面材料提供了重要的参考。
通过构建微纳米结构和引入特殊的化学成分，研究人员已取得了一些令人瞩目的成果。
这些疏水超疏水界面材料在交通工具、建筑、医学等领域具有广泛的应用前景，为未来的科技发展带来了新的机遇。
超疏水性材料
超疏水性材料超疏水性材料是一种具有极强疏水性能的材料，其表面能够使水珠快速滚动并迅速脱离表面，同时也能有效地抵御水珠的附着和渗透。
这种材料在各个领域都有着广泛的应用，包括纺织、建筑、医疗和环境保护等方面。
在本文中，我们将探讨超疏水性材料的特性、制备方法以及应用前景。
超疏水性材料的特性主要体现在其表面的微观结构和化学成分上。
通常来说，超疏水性材料的表面会具有微纳米级的结构，这些微观结构能够使水珠无法在其表面停留，从而实现疏水效果。
此外，材料的化学成分也会影响其疏水性能，一些特殊的化学成分能够使材料表面形成疏水膜，从而实现超疏水性。
制备超疏水性材料的方法多种多样，常见的方法包括化学表面修饰、纳米结构构筑和表面涂层等。
化学表面修饰是通过改变材料表面的化学成分来实现疏水性能的提升，这种方法通常会采用化学溶液浸渍或气相沉积等技术。
纳米结构构筑则是通过在材料表面构筑微纳米级的结构来实现超疏水性，常见的方法包括溶液浸渍、模板法和电化学沉积等。
表面涂层是在材料表面涂覆一层特殊的疏水性材料，使其表面具有超疏水性能。
超疏水性材料在各个领域都有着广泛的应用前景。
在纺织领域，超疏水性材料可以用于制备防水、防污的功能性纺织品，如雨衣、户外服装等。
在建筑领域，超疏水性材料可以应用于建筑涂料、玻璃表面处理等方面，起到防水、防污的作用。
在医疗领域，超疏水性材料可以用于制备医疗器械表面，减少细菌附着，起到抗菌的作用。
在环境保护领域，超疏水性材料可以用于油水分离、污水处理等方面，起到净化环境的作用。
总的来说，超疏水性材料具有广阔的应用前景，其制备方法也在不断地得到改进和完善。
随着科技的不断发展，相信超疏水性材料在未来会有更加广泛的应用，为各个领域带来更多的创新和发展。
超疏水材料.
目录
01 超疏水高分子材料的综述
02 超疏水材料的制备
03
超疏水材料的应用
04
研究展望
超疏水高分 子材料的综 述
超疏水的概念
表面的疏水性能通常用表面与水静态的接触 角和动态的滚动角描述。 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。 接触角通常是用接触角测定仪来获得。
超疏水表面的制备
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
超疏水表面（材料）制备方法
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，得到负型结构的软膜板B， 然后以此软膜板为图形转移元件，将其表面的负型结构 转移到其他材料C表面，经过2次复制最终得到与荷叶表 面特征相似的仿荷叶微结构。
Cassie模型：气垫模型（由空气和固体组成的固体界面）
超疏水表面的形成原因
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，光滑固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的提高疏（亲）水表 面的疏（亲）水性能
液面张力
由于Young方程仅适用于理想中的光滑固体表面，Wenzel和Cassie对粗糙表 面的浸润性进行了研究，并分别各自提出理论
超疏水材料介绍
表观接触角和本征接触角的关系
(3)光滑表面的局限性
① 对一个表面如果仅仅采用化学方法处理，通常仅能使接触角增加到120°
②对于超疏水的自清洁表面，水珠滚落的去污能力比滑落强，而倾斜的光滑表面水 珠多处于滑动状态，见下图。
(4)自然界中动植物超疏水表面结构图
莲花表面
Nature 2004,432, 36)发表
2.5 电纺技术
典型应用：Rutledge等用电纺技术制得PS和PS-b-
PDMS的共混物纤维，如右图。由于PDMS表面能低且
与PS的相容性很差，共混物在纺丝过程中发生相分离
且PDMS向表面富集。电纺得到的混合聚合物无纺布
表面自身所具有的粗糙度及PDMS的富集共同作用，
是接触角达到163°。
电纺法制备的超疏水无纺布的典型形貌
特殊浸润性界面材料 —— 超疏水材料介绍
超疏水材料的影响因素 材料表面结构和疏水性的关系 超疏水表面的制备方法及应用 研究展望
一.超疏水材料的影响因素
1 浸润性是材料表面的重要特征之一。根据水对材料表面润湿性的不同将 材料表面分为亲水性表面和疏水性表面。 1.1 浸润性的表征
接触角：通常以接触角θ表征液体对固体的浸润程度。接触角由表面张
若θ﹤90°，则θ’﹤θ，则亲水性随粗糙度的增加而增加； 若θ﹥90°，则θ’﹥θ，则疏水性随粗糙度的增加而增加。
两个基本前提： ①基底的表面粗糙度与液滴的大小相比可以忽略不计； ②基底表面的几何形状不影响其表面积的大小。 ③适用于中等亲水或者疏水表面。
(2)Cassie模型----气垫模型
核心：Cassie和Baxter指出，液滴在粗糙表面的接触是一种复合接触。 复合接触：微细结构的表面因为结构尺度小 于表面液滴的尺度，当表面疏水性较强时， Cassie认为在疏水表面上的液滴并不能填满 粗糙表面上的凹槽，在液珠下有截留的空气 存在，于是表观上的液固接触面其实由固体 和气体共同组成，见右图：
疏水和超疏水的关系
疏水和超疏水的关系
疏水和超疏水是表面特性的两个不同级别。
疏水（hydrophobic）是指物体的表面具有抑制水接触和吸附
的特性。
疏水性表面通常具有较高的接触角，水滴在表面上呈现出较小的接触区域，容易滚落。
常见的疏水材料包括油漆、蜡、塑料等。
超疏水（superhydrophobic）是指物体表面具有极强的疏水性能，水滴在其上几乎无法附着。
超疏水表面通常具有极高的接触角和低的滚动角，水滴在表面上呈现出类似球形滚动的特性。
超疏水表面的形成通常依赖于表面微结构，如微小的凹凸、纳米级的结构或纳米级的涂层等。
常见的超疏水材料包括莲叶、鸟羽、特殊涂层等。
因此，超疏水可以被理解为疏水性的更高级别，是一种更强的防水和防粘性能。
超疏水材料的应用潜力很大，可用于防水涂层、自清洁材料、微流控和生物医学领域等。
超疏水材料的设计与制备
超疏水材料的设计与制备近年来，超疏水材料备受关注，因其在自洁、防污、抗污染等领域具有广泛应用前景。
本文将讨论超疏水材料的设计原理以及制备方法。
一、超疏水材料的设计原理超疏水材料的疏水性主要取决于其表面的微观结构和化学成分。
常见的超疏水材料设计原理包括微结构模仿与表面修饰两种。
微结构模仿是通过模仿自然界中一些生物体表面的特殊结构，实现超疏水性。
例如，莲叶表面是超疏水的，其疏水性能源于其微米级的细疙瘩结构和纳米级的蜡质颗粒。
将这种微结构复制到材料表面，可以使其具有类似的超疏水性能。
表面修饰是通过在材料表面改变其化学成分，实现超疏水性。
这种方法通常包括两个步骤：首先，将材料表面处理成亲水性；然后，通过化学反应将亲水表面转变为疏水表面。
具体的表面修饰方法包括化学气相沉积、溶液浸渍和化学修饰等。
这些方法可以改变材料表面的化学成分，使其具有疏水性。
二、超疏水材料的制备方法超疏水材料的制备方法多种多样，根据具体需求的不同，选择适合的制备方法至关重要。
下面将介绍几种常用的制备方法。
1. 纳米粒子法纳米粒子法是一种常见的制备超疏水材料的方法。
首先，通过化学合成或物理方法获得一定大小的纳米粒子；然后，在材料表面涂覆一定厚度的纳米粒子，形成类似于莲叶表面的微结构，从而实现超疏水性。
2. 化学修饰法化学修饰法是通过在材料表面进行一系列的化学反应，改变其化学成分，实现超疏水性。
常用的化学修饰方法包括硅烷偶联剂修饰、金属有机骨架材料修饰等。
3. 高分子涂层法高分子涂层法是通过在材料表面涂覆一层高分子材料，形成一定的表面结构和化学成分，实现超疏水性。
常用的高分子材料包括聚四氟乙烯、聚合物聚合方法和聚合物共挤出法等。
三、超疏水材料的应用前景超疏水材料具有广泛的应用前景。
以下是几个典型的应用领域。
1.自洁涂料超疏水涂料能够使涂层表面形成微细的颗粒结构，使污染物无法附着在涂层表面，从而实现自洁效果。
这种自洁涂料可以应用于建筑、汽车、船舶等领域。
浅谈超疏水材料的应用前景
浅谈超疏水材料的应用前景超疏水材料是一类具有极强防水性能的材料，能够在其表面形成高度疏水的特性。
超疏水材料的应用前景非常广泛，以下将从工业、医疗、环境和生活等方面进行探讨。
首先，在工业领域，超疏水材料可以应用于液体分离和油水分离。
传统的分离方法需要耗费大量的能源和资源，而超疏水材料可以通过其疏水特性实现液体分离，从而节省资源并减少环境污染。
例如，将超疏水材料应用于油水分离装置，可以实现高效分离，并减少水资源的浪费。
此外，超疏水材料还可以应用于自清洁涂料、防腐材料等领域，提高工业材料的耐用性和性能。
其次，在医疗领域，超疏水材料有着广泛的应用前景。
例如，超疏水材料可以应用于医疗器械表面涂层，具有阻止细菌和病毒附着的作用，减少交叉感染的风险。
此外，超疏水材料还可以应用于人工皮肤和人工器官的制造，提高其稳定性和生物相容性。
超疏水材料的应用可以大大提高医疗领域的卫生标准和手术效果。
再次，在环境领域，超疏水材料可以应用于净化水源和治理水污染。
水是人类生活的基本需求，而水资源的污染和紧缺已经成为全球面临的问题。
超疏水材料可以通过其高度疏水的特性，使污染物无法进入水体，从而实现水的净化和保护。
例如，超疏水材料可以应用于河流、湖泊的保护和水域生态的恢复工作。
最后，在生活领域，超疏水材料也有着广泛的应用前景。
例如，超疏水材料可以应用于建筑材料，如窗户、墙面等，具有自清洁和防尘的功能。
此外，超疏水材料还可以应用于家居用品，如锅具、餐具等，防止水和油污渗透，提高其使用寿命和卫生程度。
超疏水材料的应用可以为人们的生活提供便利和舒适。
综上所述，超疏水材料具有广泛的应用前景，包括工业、医疗、环境和生活等方面。
随着科学技术的发展和研究的深入，超疏水材料的性能和应用领域将不断拓宽，为人类社会带来更多的福祉。
《生物质超疏水材料》课件
PART FOUR
生物质来源：选 择天然、可再生 的生物质材料， 如木材、秸秆、 玉米芯等
预处理方法：对 生物质材料进行 粉碎、研磨、筛 分等预处理，以 提高材料的表面 粗糙度和孔隙率
材料选择标准： 选择具有良好疏 水性能的生物质 材料，如具有高 亲水性和低疏水 性的纤维素、半 纤维素等
超疏水性：表面具有超疏水性，水滴不易附着 自清洁性：表面具有自清洁性，易于清洗 耐腐蚀性：表面具有耐腐蚀性，不易被腐蚀 耐高温性：表面具有耐高温性，不易在高温下变形
生物质超疏水材料具有优异的耐久性，能够长时间保持其疏水性能。 生物质超疏水材料在户外环境中能够抵抗紫外线、酸雨等恶劣环境的侵蚀。 生物质超疏水材料在室内环境中能够抵抗高温、高湿等恶劣环境的侵蚀。
研究进展：近年来， 超疏水材料的研究取 得了显著进展，如纳 米材料、生物质材料 等
防水防污：应用于建筑、汽车、 船舶等领域
自清洁：应用于太阳能电池板、 玻璃幕墙等领域
抗腐蚀：应用于化工、石油、 天然气等领域
生物医学：应用于医疗器械、 生物传感器等领域
物理沉积法：通过物理沉积 方法制备超疏水材料
化学合成法：通过化学反应 制备超疏水材料
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在污水处理领域，生物质超疏水材 料可以用于油水分离，提高污水处 理效率。
在食品加工领域，生物质超疏水材 料可以用于油水分离，提高食品加 工的安全性和卫生性。
建筑领域：作为外墙涂料，提高建筑物的防水性能 农业领域：作为土壤改良剂，提高土壤保水性能 环保领域：作为污水处理剂，提高污水处理效率 医疗领域：作为生物医用材料，提高生物相容性
超疏水 低表面能物质
超疏水是一种特殊的表面浸润性，表现为水滴在表面张力作用下，会形成一个球，仿佛被表面排斥。
这种特性常见于荷叶表面、蝴蝶翅膀等自然生物。
而实现超疏水性，需要两个关键要素：一是表面有微纳结构的凸起，其上还有更细小的结构；二是低表面能的物质，如生物蜡等，它能够加强微纳结构的疏水效果。
低表面能物质则是指那些表面能较低的物质，其特性是难以被其他物质所润湿。
这种物质常常被用于防水材料、自清洁材料、防雾材料等领域。
常见的低表面能物质有氟化物、硅油、聚合物等。
结合这两者，可以进一步优化和拓展超疏水材料的应用。
比如在PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物等涂层中，引入低表面能物质，可以进一步提升材料的超疏水性能。
这种技术在水下油下超疏水领域、防污防腐领域、自清洁领域等有着广泛的应用前景。
超疏水材料
1、木纹纸质是一种表皮装饰纸，木皮是半天然装饰材料。
2、木纹纸上的花纹为印刷出来的;木皮上的花纹为优质木材本身带有的花纹。
3、木纹纸厚度一般在0.5~1.0mm;木皮的厚度一般为1.0mm~2.0mm。
4、木纹纸按照材质的不同可以用于装饰、家具等的面层或修边;木皮主要用于高级装饰中的面层。
5、木纹纸一般价格低廉;木皮大多都价格较贵。
6、木纹纸本国产品很多;木皮重大多数珍贵树种产品只能靠进口。
用途还包括：塑料包装、香烟酒类包装、1.碳酸钙主要以石灰石和大理石存在，大理石和石灰石主要成分是CaCO3 。
大理石和石灰石做建筑材料，工业上用石灰石制生石灰(CaO)和二氧化碳、制水泥。
2.碳酸钙的物理性质：白色固体，难溶于水。
纳米碳酸钙又称超微细碳酸钙。
标准的名称即超细碳酸钙。
纳米碳酸钙应用最成熟的行业是塑料工业主要应用于高档塑料制品。
可改善塑料母料的流变性，提高其成型性。
用作塑料填料具有增韧补强的作用，提高塑料的弯曲强度和弯曲弹性模量，热变形温度和尺寸稳定性，同时还赋予塑料滞热性。
纳米碳酸钙用于油墨产品中体现出了优异的分散性和透明性和极好的光泽、及优异的油墨吸收性和高干燥性。
纳米碳酸钙在树脂型油墨中作油墨填料，具有稳定性好，光泽度高，不影响印刷油墨的干燥性能．适应性强等优点。
纳米碳酸钙的应用范围纳米碳酸钙应用最成熟的行业是塑料工业主要应用于高档塑料制品。
造纸业是纳米碳酸钙最具开发潜力的市场。
目前，纳米碳酸钙还主要用于特殊纸制品，如女性用卫生巾、婴儿用尿不湿等。
纳米活性碳酸钙作为造纸填料具有以下优点：高蔽光性、高亮度、可提高纸制品的白度和蔽光性；高膨胀性，能使造纸厂使用更多的填料而大幅度降低原料成本；粒度细、均匀，制品更加均匀、平整；吸油值高、能提高彩色纸的预料牢固性纳米碳酸钙在涂料工业作为颜料填充剂，具有细腻、均匀、白度高、光学性能好等优点。
纳米级超细碳酸钙具有空间位阻效应．在制漆中，能使配方中密度较大的立德粉悬浮，起防沉降作用．制漆后，漆膜白度增加，光泽度高，而遮盖力却不降低，主要用于高档轿车漆。
生物质超疏水材料解读
r(SV - SL )
=r COS θ
LV
实际表面面积 r= 表观表面面积＞1
Wenzel 模型示意图
Cassie模型：气垫模型 (由空气 和固体组成的固体界面)
cosθ= fcosθ+(1-f)cos180°
= f（cosθ+1）–1
f=Σa/Σ(a+b) f为水与固体接触的面积与水滴 在固体表面接触的总面积之比 Cassie 模型示意图
壁虎脚趾的微观结构
壁虎的层次结构的脚趾头。脚趾是由成千上万的丝绸和每一 个丝绸包含的几百个细微的铲子结构。 (a,b)扫描电子显微图和(c)特征的铲子。
超疏水的荷叶表面
超疏水的荷叶和表面结构（a)球形的水滴滴在荷叶表面 （b)荷叶表面大面积的微结构（c)荷叶表面单个乳突 （d）荷叶表面的纳米结构
荷叶表面双微观结构模型 • 通过实验测试，水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分别为 161.0°±2.7º和2º。这使得荷叶具有了很好的自清洁能力。
• 从上面模型可看出：由于荷叶双微观结构的存在，大量空气储存在这 些微小的凹凸之间，使得水珠只与荷叶表面乳突上面的蜡质晶体毛茸 相接触，显著减小了水珠与固体表面的接触面积，扩大了水珠与空气 的界面，因此液滴不会自动扩展，而保持其球体状，这就是荷叶表面 具有超疏水性的原因所在。
cosθ=(γSV –γSL)/ γLV
式中: γLV、 γSV 、γSL分别表示液气、固-气、固-液界面的表面张力。
由于Young方程仅适用于理想中的光滑固体表面, Wenzel和 Cassie对粗糙表面的浸润性进行了研究，并分别各自提出理论 假设粗糙表面具有凹槽和凸起结构
Wenzel理论
Cassie理论
利用 CVD法得到的阵列碳纳米管膜的 SEM照片: ( (C).岛状 , (d).柱状
超疏水材料的综述
超疏水材料的综述
超疏水材料是指表面疏水性能高于水的材料，具有强烈的超疏水性能，即表面动能较高，水不易结合在表面上，液滴表面能力极高，表面液滴不易渗入或移动。
超疏水材料主要由石墨烯、碳纳米管、金纳米点和有机非金属材料构成，具有均摩擦系数小、表面润湿性低、抗腐蚀、耐磨性能强、耐高温和耐腐蚀性能良好等性能。
超疏水材料的应用领域十分广泛，包括表面处理、润湿剂设计、抗腐蚀、生物技术、水处理等。
此外，结合超疏水材料与微流控学可用于生物传感器和功能性生物附着等方面的研究。
超疏水材料的设计与制备研究
超疏水材料的设计与制备研究近年来，超疏水材料在科学界引起了广泛的关注和研究。
它们具有极高的疏水性能，可以在接触水面时实现水珠自动翻滚，起到了防污、自洁、抗菌等多种功能。
本文将探讨超疏水材料的设计与制备研究，介绍它们的应用前景和潜在难题。
一、疏水性原理超疏水材料之所以具有疏水性能，是因为它们在表面上形成了高度结构化的微观纳米结构。
这些结构使得超疏水材料表面的接触角远远大于90度，导致水滴无法在其上附着，形成水珠自动翻滚的现象。
这些微观结构的形成与材料表面的化学成分和物理结构密切相关。
二、超疏水材料的设计与制备超疏水材料的设计与制备需要从两个方面进行考虑：表面微观结构和化学成分。
在表面微观结构方面，研究者通常采用自组装技术、模板法、刻蚀技术等方法来制备复杂的纳米结构。
而在化学成分方面，通过选择具有低表面能的材料和在表面添加化学改性剂等手段来实现疏水性能。
这些设计与制备方法相互结合，才能够实现超疏水材料的高效制备。
三、超疏水材料的应用前景超疏水材料的应用前景十分广阔。
在实际应用中，它们可以用于防水涂层、自洁表面、油水分离等方面。
比如，在建筑材料中，超疏水涂层可以有效防止水渗透，提高建筑材料的耐久性；在纺织材料中，超疏水纤维可以避免污渍的附着，实现自洁效果；在环境保护中，超疏水材料可以用于油水分离，实现高效的废水处理。
这些应用前景表明了超疏水材料在多个领域中的巨大潜力。
四、超疏水材料研究中的挑战尽管超疏水材料在科学界引起了广泛关注和研究，但在实际应用中仍然面临一些挑战。
首先，超疏水材料的制备过程较为复杂，需要耗费大量的时间和设备。
其次，超疏水材料的耐久性有待提高，长时间的使用会导致微观结构的破坏。
此外，超疏水材料的制备还面临环保问题，如对环境的污染和资源的浪费。
因此，未来研究需要解决这些问题，进一步提升超疏水材料的应用性能。
五、结语随着科学技术的不断发展，超疏水材料的设计与制备研究也在不断取得突破。
它们的应用前景广阔，可以在多个领域中发挥积极作用。
氟硅烷超疏水原理
氟硅烷超疏水原理及其应用氟硅烷超疏水是一种基于表面化学原理的材料，具有极高的疏水性能。
它的主要原理是利用氟硅烷分子的特殊结构和化学性质，使其在表面形成一层极薄的氟硅烷分子膜，从而实现超疏水效果。
本文将从氟硅烷的结构、化学性质、应用等方面进行详细介绍。
一、氟硅烷的结构和化学性质氟硅烷是一种含有氟和硅元素的化合物，化学式为Rf-Si（Rf为氟烷基）。
它的分子结构中，氟烷基的存在使得氟硅烷具有极强的疏水性能，同时硅元素的存在使其具有良好的附着性和稳定性。
氟硅烷的化学性质主要表现在其分子结构中的氟烷基上。
氟烷基是一种高度电负性的官能团，具有很强的氟-碳键的极性特征。
这种极性使得氟烷基的电子云向氟原子偏移，从而使得氟烷基的碳原子带有一定的正电荷，而氟原子带有一定的负电荷。
这种分子极性的存在使得氟硅烷具有极强的疏水性能。
二、氟硅烷超疏水的原理氟硅烷超疏水的原理主要是利用氟硅烷分子的特殊结构和化学性质，在表面形成一层极薄的氟硅烷分子膜，从而实现超疏水效果。
这种分子膜可以将水分子排斥在表面之外，形成一个极为平滑的表面，从而使得水滴在表面上呈现出很高的接触角，即水珠无法附着在表面上。
具体来说，氟硅烷分子在表面的吸附过程中，首先需要与表面发生化学反应，从而形成化学键或物理吸附。
然后，氟硅烷分子会在表面形成一层极薄的分子膜，这种分子膜具有很高的疏水性能，可以将水分子排斥在表面之外，从而实现超疏水效果。
这种分子膜的厚度通常只有几个纳米，因此对表面的光学、电学、热学等性质影响很小。
三、氟硅烷超疏水的应用氟硅烷超疏水在生活和工业中有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1.防水材料氟硅烷超疏水材料可以用于制造各种防水材料，如防水衣、防水鞋、防水袋等。
这些材料可以有效地防止水分渗透，从而保护人们的身体和财物。
2.自清洁表面氟硅烷超疏水材料可以用于制造自清洁表面，如自清洁玻璃、自清洁墙面等。
这些表面可以自动清除灰尘和污垢，从而减少清洁工作的频率和强度。
超疏水材料的原理
超疏水材料的原理
超疏水材料是一种具有特殊表面结构的材料，能够在接触水时使水滚动成水珠并快速从表面滑落，从而实现极强的防水性能。
其原理主要是基于两个因素：一是表面微结构；二是化学结构。
在表面微结构方面，超疏水材料通常采用了纳米或微米级别的微凸起或凹陷结构，例如在莲叶表面上就有许多微小的凸起，这些凸起可以显著减少表面与水的接触面积，从而减少了水分子与材料表面的相互作用力，使得水能够在表面上形成水珠。
同时，这些微凸起还能够形成一种微小的空气层，使水珠与材料表面保持一定距离，进一步减少了水与材料表面之间的接触。
在化学结构方面，超疏水材料通常使用低表面能的化学材料，如氟化物、硅烷等。
这些化学材料具有很低的表面能，水分子与其相互作用力极小，能够形成一种类似于涂有油漆的表面，使水分子无法粘附在表面上，从而实现超疏水性能。
总之，超疏水材料的原理是通过表面微结构和化学结构的优化来减少水分子与表面的相互作用力，使水能够形成水珠并快速从表面滑落，从而实现防水性能。
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神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍水滴待我如初恋
神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍，水滴待我如初恋！神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍，水滴待我如初恋！一盆水泼向一块金属板，水珠像钢珠一样滚落，金属板仍然干爽；一只船桨浸入水缸，拿出来竟然未带出一滴水珠，就像是从没放进去过一样；一杯水倒在一块经过特殊处理的玻璃板上，水紧紧靠在中央“不越雷池半步”，即使用手搅出来一两滴也立即跑回去……这些违背我们肉眼“常识”的现象，就是“超疏水材料”捣的鬼。
这种通过改变材料的表面自由能和表面粗糙度获得的新型材料，灵感来自于自然界中的荷叶。
由于其防水、防腐蚀、抗菌的特殊效果，如今已经成为国际热门的研究领域，可以在环保、工业、医疗等各种你想象不到的领域大展身手。
一、超疏水简介超疏水技术是一种具有特殊表面性质的新型技术，具有防水、防雾、防雪、防污染、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要特点，在科学研究和生产、生活等诸多领域中有极为广泛的应用前景。
超疏水技术对于建筑工业、汽车工业、金属行业等的防腐防锈及防污也很有现实意义。
特别是近年来的微电子系统、光电子元器件及纳米科技等高新技术的高速发展，给超疏水涂层的研究和应用于勃勃生机。
超疏水材料的研究以诗句“出淤泥而不染，灌清涟而不妖”为契机，以科学的手段向我们解释这一奇特的自然现象，荷花表面覆盖的天然超疏水薄膜，使得水滴聚集成股，顺势流下，冲刷着荷叶表面的淤泥，营造了出淤泥而不染的状态。
因此荷叶在雨后会变得一尘不染，这种现象在生活中很常见，我们称之为“荷叶效应”。
二、超疏水现象荷叶效应--超疏水性原理为什么“粗糙”表面能产生超疏水性呢?对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。
由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。
即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。
超疏水材料PPT课件
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目录
01 超疏水高分子材料的综述
02 超疏水材料的制备
03 超疏水材料的应用
04 研究展望
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超疏水高分 子材料的综
述
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超疏水的概念
✓ 表面的疏水性能通常用表面与水静态的接触 ✓ 角和动态的滚动角描述。 ✓ 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。 ✓ 接触角通常是用接触角测定仪来获得。
✓ γSV = γSL + γLV×cosθe γSV γSL γLV分别为顾气、固液、液气间的适用于理想中的光滑固体表面，Wenzel和Cassie对粗糙表 面的浸润性进行了研究，并分别各自提出理论
✓
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Wenzel模型
✓ Wenzel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，从而对亲（疏）水性产生了增强的作用。
超疏水基本理论
材料的浸润性是由表面的 化学组成和微观几何结构 共同决定的，通常以接触 角θ表征液体对固体的浸润
成度。
Young方程 Wenzel方程 Cassie方程
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✓ 对于光滑、平整。均匀的固体表面，Thomas Young在 1805年提出了接触角与表面能之间的关系，即著名的 Young方程（Young Equation）:
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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
远洋轮船传递涂料，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 洁；
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后退角：是指在缩小液滴体积时液滴与固体表面接触的三相线将动而未动 状态的接触角, 可以理解为下滑时液滴后坡面所必须降低到的角度, 否则后 坡面不会移动
铜-铁酸盐薄膜随晶体生长时间的SEM图
2.2 模板法 模板法制备超疏水性涂层具有操作简单、重复性好、纳米线径比可控等 优点。
荷叶 表面
应用1：南京工大自然科学基金项目做的类荷叶表面疏水结构的SEM图片
PS阴模SEM图
PVA阴模SEM图
PDMS表面图
应用2：Shang等用聚碳酸酯微孔膜做模板，放在由正硅酸乙酯及甲基丙 烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPS)配置好的溶胶上，待溶剂蒸发，经500°热 处理去除模板，得到均一竖直排列纳米棒状表面。如下图：
④ 中科院的徐坚等以PC为原料，通过非溶剂诱导相分离得到了具有类似 荷叶的微纳二次结构的粗糙表面，疏水性能优异。另外还利用PC的溶剂 诱导结晶特性，在温和条件下通过向丙酮溶胀的PC表面引入沉淀剂控制 结晶增长，得到与荷叶类似的超疏水表面，接触角大于150°，滚动角小 于10°，而且过程快捷，几分钟即可，可大面积制作。
应用：Schlenoff利用层层自组装技术得到含氟据 电解质和棒状黏土复合的超疏水表面，在组装过 程中黏土发生聚集，形成微米尺度的聚集体。右图 接触角可达168°
2.4 机械拉伸
• Genzer等在处于拉伸状态的硅橡胶表面引发介质一层半氟烷基三氯硅烷， 形变恢复后表面的氟烷烃密度增加，疏水性的持久性好。 另外，对PTFE橡胶带进行简单的拉伸，随着拉伸率的增大，晶体间距增 加，粗糙度增加，表面接触角增加，有实验表明，PTFE橡胶带拉伸率 190%时，接触角可达165°。
Cassie和Baxter从热力学角度分析得到了Cassie-Baxter方程：
cos * f1 cos1 f 2 cos2
式中θ *为复合表面的表观接触角， θ1和θ2分别为两种介质上的本征接 触角，f1和f2分别为这两种介质在表面的面积分数。
此模型可以很好的解释Wenzel模型不能解释的超疏水表面的性能表现。
dE r(rsl rsg )dx rgl dxcos '
其中r为表面粗糙因子，其值为表面的实际面积与几何投影面积之比， r﹥1 在平衡状态时表面能应最小，得到Wenzel方程
cos ' r(rsg rsl ) / rgl r cos
若θ﹤90°，则θ’﹤θ，则亲水性随粗糙度的增加而增加； 若θ﹥90°，则θ’﹥θ，则疏水性随粗糙度的增加而增加。
接触角：通常以接触角θ表征液体对固体的浸润程度。接触角由表面张
力决定，固体表面液滴的接触角是固气液界面间表面张力平衡的结果，可 通过如下公式计算：
cosθ = (γsq - γsl )/γlg ---------Young’s方程，静态接触角 γsg 、γsl 、γlg分别为固气、固液、气液间的界面张力。
发展方向： 既疏水又疏油的超双疏材料研究，即要实现通过外部刺激实现表面自由 能的切换或开关功能； 表面微结构的几何形貌、尺寸与表面浸润性，尤其是与滞后角直接联系 的定量研究还有待深入； 应用领域有待拓展； 低成本化； 实用性的加强。
两个基本前提： ①基底的表面粗糙度与液滴的大小相比可以忽略不计； ②基底表面的几何形状不影响其表面积的大小。 ③适用于中等亲水或者疏水表面。
(2)Cassie模型----气垫模型
核心：Cassie和Baxter指出，液滴在粗糙表面的接触是一种复合接触。 复合接触：微细结构的表面因为结构尺度小 于表面液滴的尺度，当表面疏水性较强时， Cassie认为在疏水表面上的液滴并不能填满 粗糙表面上的凹槽，在液珠下有截留的空气 存在，于是表观上的液固接触面其实由固体 和气体共同组成，见右图：
表观接触角和本征接触角的关系
(3)光滑表面的局限性
① 对一个表面如果仅仅采用化学方法处理，通常仅能使接触角增加到120°
②对于超疏水的自清洁表面，水珠滚落的去污能力比滑落强，而倾斜的光滑表面水 珠多处于滑动状态，见下图。
(4)自然界中动植物超疏水表面结构图
莲花表面
Nature 2004,432, 36)发表
① 180 ≥θ≥90时 －1≤cosθ≤0， γs－g＜γs－l 液体难润湿固体表面，当θ＝180时，液体完全不润湿固体表面
② 0 ≤ θ＜90时， 0＜cosθ≤1 γs－g＞γs－l 液体能润湿固体表面，当θ＝0时，液体完全润湿固体表面
滚动角：前进接触角(θA)与后退接触角(θR)之差，滚动角的大小也代表 了一个固体表面的滞后现象（接触角滞后）。
2.7 聚合物中引入含氟基团 • 此方法是降低材料表面自由能的一个简便、有效的途径。两种方法：
一是使用氟化丙烯酸酯单体；二是在聚合时加入含氟表面活性剂，如 全氟辛酸、全氟庚酸等。其中第二种方法多在成型加工过程中加入。
三 研究展望
存在的问题： 成本高。材料的开发涉及较贵的低表面能物质，如含氟或硅烷的化合物； 制作疏水材料的设备要求高、条件苛刻、周期长； 由于表面特殊的微结构，导致机械强度差，易被外力破坏，限制了使用 疏水性持久性不强，已被油性物质污染；
薄膜表面形貌示意图及其SEM图片
国内江雷等以多孔氧化铝为模板，通过模板挤压法制备了聚丙烯腈纳米 纤维，该表面不用任何低表面能物质修饰即具有超疏水性，与水的接触 角可高达173.8°
2.3 自组装方法 采用表面微加工技术得到具有表面微细结构、有序化的无机基底，再利 用分子自组装膜进行表面修饰得到超疏水表面
自然界中的超疏 水现象
特殊浸润性界面材料 —— 超疏水材料介绍
超疏水材料的影响因素 材料表面结构和疏水性的关系 超疏水表面的制备方法及应用 研究展望
一.超疏水材料的影响因素
1 浸润性是材料表面的重要特征之一。根据水对材料表面润湿性的不同将 材料表面分为亲水性表面和疏水性表面。 1.1 浸润性的表征
一种常见的生活在池塘、河流和溪水表面的昆虫水黾为何能够毫不 费力地站在水面上，并能快速地移动和跳跃 空气被有效地吸附在这些取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其 表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏 水特性。
蝴蝶翅膀表面图
二.超疏水材料的制备方法
2.1 溶胶-凝胶法 目前制备多孔材料和有机-无机杂化材料常用的方法，它是将烷氧基金属 或金属醇盐等前驱物在一定条件下水解-缩合成溶胶，然后经溶剂挥发或 热分解使溶胶转化为网状结构的氧化物凝胶。 应用：在铜合金上制备莲花状铜-铁酸盐薄膜
1.2.1 表面微细结构的影响
(1) Wenzel模型
现象：特殊的表面微细结构能够 增加疏水表面的接触角，减小亲 水表面的接触角。
Wenzel理论：粗糙表面的存在 使得实际上的固液接触面积要 大于表观几何上观察到的面 积，于是增加了疏水性或者亲 水性。
假设在某一个粗糙表面上，水滴的接触线移动一个微小的距离dx，则整 个体系的表面能变化dE表示为：
2.5 电纺技术
典型应用：Rutledge等用电纺技术制得PS和PS-b-
PDMS的共混物纤维纺丝过程中发生相分离
且PDMS向表面富集。电纺得到的混合聚合物无纺布
表面自身所具有的粗糙度及PDMS的富集共同作用，
是接触角达到163°。
电纺法制备的超疏水无纺布的典型形貌
三种表面液珠状态比较图
当基底倾斜后，(c)图可以滑落，(a)(b)图不能滑落，因为上坡面的 接触角还未达到临界后退角。 真正意义上的超疏水表面，应该具有较大的静接触角和较小的滚动角， 其中静接触角通常要求大于150°
1.2 影响表面浸润性的因素
影响因素
表面微细结构：Wenzel模型和Cassie模型 表面自由能：化学结构、组成
2.5 腐蚀金属 利用金属中缺陷易于先被腐蚀的性质， 通过控制金属在蚀刻剂中的浸泡时间， 可得到粗糙的金属表面，再经过低表面 能物质疏水处理。
溶剂腐蚀金属制备的粗糙表面的形貌
(a)Zn
(b)Cu
2.6 透明超疏水表面的制备 通常超疏水表面由于表面的粗糙结构而不透明，影响了其应用范围。 ① Nakajima等首次制成同时具有超疏水性、光学透明性和使用耐久性的水 软铝石薄膜和二氧化硅薄膜。利用高温煅烧过程中致孔剂乙酰丙酮铝的升 华，得到薄膜表面具有尺度在30—100nm范围内的微结构，微结构的尺寸 远小于可见光的波长，所以透明性很好。接触角可达150° ② 将四甲基硅烷和含氟硅氧烷的混合气体沉积在玻璃或硅片上，可通过改 变时间和压力来改变沉积膜的粗糙程度，可将微结构尺度控制在11.3— 60.8nm，接触角可达160°。 ③ Fresnais等用O2和CF4等离子处理低密度 聚乙烯，得到表面的微结构尺寸小于50nm 时CA即大于160°。小于可见光波长，透 明性好。