关于超疏水涂层综述1

自洁净技术

当今世界现有的技术很多都是来自于大自然中的，自洁净技术就是其中之一。在自然界中的许多生物都表现出自洁净的性质。蝴蝶的翅膀和植物的叶子，例如卷心菜和莲花。自洁净技术的应用范围很广，从窗户玻璃的清洗到太阳面板的清洁，从水泥到纺织品。这项技术在20世纪末得到了极大的重视。世界各地都在开发着具有增强光学性质的高效耐用的表面涂层。除了应用方面的好处，这项技术还提供了各种各样的好处，包括减少维护成本，消除繁琐的手工工作，花在清扫工作上的时间也会减少。

自洁净涂料大致分为两个主要的类别，亲水和疏水，这两个类别都是通过水的作用来达到自我清洁的效果。在一个亲水涂层，水在表面扩散，会带走污垢和其他杂质。而在疏水技术中，水在表面滚动滑落，从而达到清洗的目的。然而,亲水性涂料使用合适的金属氧化物具有一个额外的属性，在阳光的辅助作用下，化学分解复杂的污垢，达到清洁的作用。 自清洁的应用，就是超疏水材料的应用。杨氏方程制定在200年前，现在在湿润科学上仍然是基本的方程。杨氏方程是描述固气、固液、液气界面自由能γsv，γSL，γLv 与接触角θ之间的关系式。表达式为：γsv -γSL=γLvCOSθ。 该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。COSθ=(уSV -уSL)/уLV 式中уSV 为固体表面在饱和蒸气下的表面张力，уLV 为液体在它自身饱和蒸汽压下的表面张力，уSL 为固液间的界面张力，θ为气、固、液三相平衡时的接触角。当θ＞90°时固体表面表现为疏水性质，θ＜90°时表现为亲水性质。将与水接触角大于150°的物体表面称为超疏水表面。温泽尔就膜表面的粗糙情况对疏水性的影响进行了深入的研究．对杨氏方程进行了修正。指出由于实际表面粗糙使得实际接触面积要比理想平面大，提出了Wenzel 方程：cosθ1=r(уSV -уSL)/уLV。式中r 为实际接触面积／表观接触面积。亲水膜在增加粗糙度后将更亲水．疏水膜则更疏水。在研究织物疏水性能时．提出了另一种表面粗糙新模型——空气垫模型。Cassie 提出接触面由两部分组成，一部分是液滴与固体表面(R)突起直接接触，另一部分是与空气垫(fv)接触，并假定θ1 =180°，引入表面系数f=fs ／(fs+fv)，Cassie 推导的方程为：cosθ1=fcosθ+f -1=f(cosθ+1)-1。根据Cassie 的模型及公式的理论计算．提高空气垫部分所占的比例将会增强膜表面的超疏水性能。

1.D. Byun, J. Hong, J. H. Saputra Ko, Y . J. Lee, H. C. Park,B.-K. Byun and J. R. Lukes, J. Bionic Eng., 2009, 6, 63–70.【Wetting Character is ticsof Insect Wing Surface 】我们调查了昆虫翅膀表面在微小和纳米比例下的、发现多层的粗糙表面有利于提高疏水性。在检测了10组24个会飞有翅昆虫标本之后，我们发现微小和纳米尺寸下典型存在于昆虫上下翅膀表面。在昆虫翅膀表面的微小的齿状结构与刚毛提高了疏水性，同时也使翅膀更容易被清洗。疏水昆虫翅膀经历了从cassie 到wenzel 的状态的转换。

2.C. Dorrer and J. Ruhe, Soft Matter, 2009, 5, 51–61.【Some thoughts on superhydrophobic wetting 】一滴水接触疏水材料的表面会形成一个近乎完美的球形，即使是一个轻微的倾斜都足以使水滴滚落。根据Cassie 的模型及公式的理论计算．提高空气垫部分所占的比例将会增强膜表面的超疏水性能。液滴必须足够的小以保证不出现显著的重力变形，大小被认为满足直径低于各自毛细管长度。毛细管长度被定义为

g lg

ργλ=C ，水的毛细管长度是2.7mm 。应用施加压力，震动底物，应用电压，水滴蒸发实

现水滴从卡西状态向温泽尔状态的转换。所有这些方法都是导致液气界面压力的增加，因此也被称为推动力过度。压差源于系统的表面张力，以及重力等其他因素，压差和半径的关系又拉普拉斯方程： R 2lg

γ=∆P

3.Z. Cerman, A. Solga, B. F. Striffler, M. Spaeth and W. Barthlott, Bioinspir. Biomimetics, 2007, 2, S126–13

4.【The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces 】The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces ：莲花表面的超疏水涂层结构，通过对于莲花的研究总结起出疏水性的两个重要的特点：1）低能量表面具有疏水特点 2）显著的表面结构具有疏水性；关于第一点，和表面材料的化学性质有很大关系，第二点，疏水性特点也会由表面粗糙程度所决定。通过对莲花和生物表面的研究，发现了很多自洁净在现实中的应用。自洁精玻璃就是其中之一，玻璃表面具有超疏水涂层，导致表面的液滴很容易产生滑落，在滑落的过程中将玻璃上的灰尘带走。

A~F 表面分别覆盖着藻类，EF 上涂有超疏水图层，A~D 为普通的涂料，藻类只有在不断淋水的仿生表面才可以扩散，可以大胆得出结论，自洁净涂料油漆可以更有效地替代传统的具有杀菌作用的油漆。

4.C. R. Lawrence and A. R. Parker, Nature, 2001, 414, 33–34.【Water capture by a desert beetle 】在纳米布沙漠的一些甲虫通过背来收集水分，能够收集到大液滴是由于昆虫背部崎岖的表面，背部表面是由疏水性图层组成的，水的收集也没有看起来那么简单。宏观的来看，纳米布甲虫被覆盖着接近无规则排布的崎岖表面，在显微镜等级下，这些崎岖的表面又十分平滑。 但是低洼处并没有覆盖，包括他的倾斜面，表面被覆盖着一种蜡状物，使其表面成为疏水性材质。可以联想到荷叶的超疏水系统。甲虫表面的大液滴也是通过峰顶的亲水性指引完成的。 疏水性的斜坡导致液滴快速滚落聚集成大液滴。当然这个过程中水也可能被弹起或被风吹走，换句话说，水的收集也是相当困难的。顶部的亲水性产生了一个推动力使得液滴能从顶部滑落。总够的能量使之产生充分的滚落。通过欧拉第一定律还能很容易地估计风速。