超疏水材料的研究进展

超疏水材料的研究进展

摘要：对植物叶表面的超疏水现象研究表明：植物叶表面的微观结构是引起超疏水的根本原因。本文通过对荷叶表面的研究得到超疏水材料具有的特点：微纳米尺度复合的阶层结构。通过相分离方法得到超疏水材料，最后对超疏水材料的研究趋势作了展望．

关键词：超疏水材料微纳双重结构接触角滚动角

Abstract：By studying the nature superhydrophobic bio-surfaces indicates that : the incooperation of micro-structure and nano-structure are both important for the superhydrophobic materials. Such structures are the key for the superhydrophobic material . The phase separation method is employed to prepare the superhydrophobic materials. The latest trends in the study of superhydrophobic materials are also discussed．

Key words：Superhydrophobic materials；Micro-structure and nano-structure ; Contect angle; Roll angle

引言

近年来，植物叶表面的超疏水现象引起了人们的关注。所谓植物超疏水能力，就是植物叶面具有显著的疏水，脱附，防粘，自清洁功能等。固体表面浸润性研究的就是材料的疏水能力。浸润性是指液体可以渐渐渗入或附着在固体表面的特性。接触角和滚动角是评价固体表面浸润性的重要指标。所谓超疏水表面一般是指与水的接触角大于150º。图1所示为不同表面水滴接触界面状态。科学家通过对超疏水的荷叶表面进行观察，他们发现荷叶表面微纳双重结构是引起荷叶表面超疏水性能的根本原因。受自然界超疏水现象的启发，科学家在超疏水材料领域进行了不懈的探索。目前，一般有两种方法来制备超疏水材料：一种是在粗糙表面修饰低表面能物质；另一种是在疏水材料(一般其接触角大于90º)表面构建粗糙结构。由于超疏水材料独特的表面特性，使其可广泛应用于防水、防污、自清洁、流体减阻、抑菌等领域，因此超疏水材料在现实生产和生活中具有广阔的应用前景。

基本原理

自然界中一些生物表面的疏水能力很强，尤其是荷叶表面的超疏水和自清洁效应最早被科学家关注。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。如此大的接触角和如此小的滚动角让荷叶具有了很好的自清洁能力。科学家通过观察，认为这种特性是由粗糙叶面上微米结构的乳突和表面的蜡状物共同引起的。进一步观察，荷叶表面的微米乳突上面还存在有纳米结构，这种微纳米尺度复合的阶层结构才是荷叶表面超疏水的根本原因。

如图2(b)和(c)所示，荷叶表面由许多直径为5—9um的乳突构成，而每个乳突又是由平均直径为124.3±3.2nm的纳米结构分支组成。此外，在荷叶的下层表面同样可以发现纳米结构(如图2(d))，它可以有效地阻止荷叶的下层被润湿。这些纳米结构，尤其是微米乳突上的纳米结构，对超疏水性起到重要的作用。研究表明：正是这种特殊的表面微纳米复合结构有效地降低固体和液体之间紧密的接触，影响了三相接触线的形状、长度和连续性，从而大大降低了滚动角，使得水滴在荷叶上易于滚动。

理论模型

Cassie在研究织物疏水性能时，提出了一种表面粗糙模型——空气垫模型(见图3)，提出接触面有两部分组成，一部分是液滴与固体表面突起直接接触(fs)，另一部分是与空气垫接触(fv)。他又引入表面系数f=fs／(fs+fv)。由此Cassie推导出方程为cosθ´=cosθ+f-1（θ´为表观接触角，θ为理想表面接触角）。根据Cassie的空气垫模型及公式的理论计算可以发现，提高液体与空气垫接触部分所占的比例，将会增强膜表面的超疏水性能。从微观结构分析，超疏

水材料表面的微纳双重结构很好的起到了提高液体与空气垫接触面积的作用。因为气体填充在几百纳米到几十微米之间，从而阻止了水滴进入间隙。有效地提高了膜表面上的空气层的比例，从而增强了膜表面的超疏水性能。

超疏水膜的化学结构及排列方式的研究

图4

在研究膜疏水性能时，只用表面能一种参数来表征是不完全的。当引入另一个参数——与水的动态接触角，来表征膜的疏水性能就会更科学。动态接触角包括动态前进角θa和动态后退角θr（如图4）。试验表明，动态前进接触角的变化规律随着膜表面氟元素密度的增加而递增，而动态后退接触角却并非与膜表面氟元素密度简单的增加而递增的关系。还与膜表面氟元素分子水平堆砌的方式密切相关。

要获得超疏水性质的材料，该材料表面必须具有较低的表面能。氟甲基（—CF3）因为有极大的极性，在材料表面规整排列能使材料具有较小的表面能。

Ginfalco等通过在极性固体表面上沉积上一层由全氟十二烷酸组成的单分子膜(见图5)，获得了具有最低表面能的膜，其表面完全由—CF3铺满，表面能仅有6．7mJ ／m²，含氟材料低表面能的性质，等到了研究者的青睐，因而，它成了制备超疏水材料的首选材料。通过对膜表面的理论计算出该表面与水接触角为120°（<150°），远不能满足超疏水材料的要求。可见,有较低表面能的材料，并不能得到性能良好的超疏水材料。科学家通过改变侧链长度，得到不同的聚合物表面，从而得到疏水性能良好的材料。

Suzuki利用含氟高分子材料支链的羟基与含环氧端基不同链长硅烷材料接枝，制备疏水涂料，发现水滴的滑落倾角随硅烷链长的增加而减小，液滴越大越利于其滑落。

而从膜的微观结构分析，得到疏水性能良好的材料的根本原因是材料表面的微纳双重结构，这种特性使材料具有了良好的疏水性能。

综上所述，低表面能材料只是制备超疏