层层自组装超疏水原理
超疏水
超疏水表面制备方法：
3、刻蚀法
刻蚀是一种直接有效的制备粗糙表 面的方法。刻蚀的方法包括等离子体 刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀，这些方 法已经被用来制备超疏水表面。
超疏水表面制备方法：
4、溶胶-凝胶处理法 现有研究中的绝大部分结果表面，溶胶凝胶处理后无须再经过疏水化的后处理，表面 就可以实现超疏水性能，因为低表面能材料在 溶胶-凝胶处理过程中就存在 。 Hikita研究组使用胶状的硅石颗粒和氟烷 基硅氧烷作为原材料，通过烷氧基硅烷的水解 和浓缩过程制备了具有超疏水性能的溶胶-凝 胶薄膜 。
超疏水表面的构建技术可分为以下两类：
（1）在低表面能的材料表面构筑一定的粗糙 度； （2）在具有一定粗糙度的材料表面上修饰低 表面能的物质。
超疏水表面制备方法：
1、层层自组装法
层层自组装方法能够借助分子间的静电相 互作用和氢键相互作用，从分子的尺度来控制 所制备的薄膜的厚度和薄膜的表面化学性质。 近来，有许多研究组应用层叠层的方法来制备 粗糙的超疏水表面
超疏水表面
荷叶表面上的超疏水
荷叶在雨后显得非常的清新和洁净，这是因为 落在叶面上的雨滴会自动聚集成水珠，水珠的滚动 可以使叶片表面上的尘土污泥等污染物粘附在水珠 上滚出叶面，从而清除掉了叶片上所吸附的污染物， 这一现象所表达出的是荷叶具有优异的超疏水性能 和非凡的自洁净功能.这些特性被命名为“荷叶效 应” Barthlott和Neinhuis研究组借助扫描电子显微 镜 (SEM)首次报道了荷叶表面的观结构，他们把荷 叶这种自洁净功能归因于粗糙表面微米量级的凸体 及其表面蜡状物质的共同作用。
荷叶表面的微/纳米复合结构
超疏水的定义：
表面水接触角大于150°，并且具有很 小的滚动角和自清洁性质的表面被称
制备超疏水表面常用的方法
动物表面的疏水自清洁性研究
蚊子的眼睛具有优异的超疏水及防雾性能，可以使其在潮湿的环境中保持清晰的视觉。 这种双重特性是由于微米乳突及其上六角形紧密排列的纳米结构产生的。通过模拟蚊子 复眼的这种结构，研究者利用软刻蚀的方法得到人造复眼。
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。
动物表面的疏水自清洁性研究
蝉和蝴蝶可以很容易的通过去除翅膀表面的灰尘颗粒或者水滴，水雾来保持自 身的不受污染，并且可以使得它们的翅膀在雨中保持不被雨滴润湿，从而提供 了它们在雨中飞行的可能。这些性质同样来自于其翅膀表面独特的微观结构。 蝉翼表面由直径大约在70nm的纳米柱定向排列而成。这些纳米柱的间距大约为 90nm。同样，也正是翅膀表面这种独特的结果赋予了它们超疏水性能和自洁净 的功能。
如果ITO表面不用层层组装的方法修饰聚电解 质多层膜而直接在ITO玻璃表面进行电化学沉 积，那么只能得到平整的金膜。平整金膜经疏 水处理后，表面接触角只有95°，达不到超疏 水。
吉林大学孙俊奇教授的研究小组也报道 了一种利用层层组装技术将粒径为220 纳米的二氧化硅小球生长到粒径为600 纳米二氧化硅小球上的方法，整个体系 为呈树莓状的二元纳微分级结构。这些 树莓状的小球经过疏水试剂接枝后，接 触角达到了157°，滚动角小于5°。
超疏水材料发展趋势
江雷研究小组采用化学气相沉积法构建了表面具有纳米
亚微米的双微观结构的Zn0薄膜，测得这种薄膜的静态接触 角可高达164.3°， Zn0薄膜具有如此优良的疏水性能更进 一步印证了纳米亚微米的双微观结构是构建超疏水表面的必 要条件。该小组还通过反复实验探究了Zn0薄膜超疏水性与 亲水性之间的可逆转变。与此同时，他们还在石英基底上采 用化学气相沉积法构建了阵列碳纳米管(ACNT)膜测得该膜 表面的静态接触角为158.5°，如果对该膜用氟硅烷进行修 饰后，碳纳米管膜表现良好的超双疏性(既疏水又疏油)，测 得油和水的静态接触角分别为161°和171°。
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在微流体控制方面的应用
超疏水材料表面所具有的不浸润性及低表面粘滞力，使 其在微流体控制应用方面也有十分出色的表现。比如控制微 液滴的运动和流动，并以此制造微液滴控制针头，使得在实 验或者生产过程中对液体滴加计量能够精确控制，实验试剂 的添加将更得心应手。如果将这类技术运用到诸如静电喷涂 领域，比如用超疏水材料制造喷漆喷胶等的喷头，将会使喷 涂的液滴更加均匀，雾化效果更好，可以运用在对喷涂效果 有特殊要求的场合。另外如果以这类材料制作毛细管类的材 料，将会使液滴的虹吸量更少，可以制造体积更小精密度更 高的液体传输设备。
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。
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在船舶提高浮力方面的应用
据实验观察不论是在水面的滑行、跳跃还 是快速掠过水黾都既不会滑破水面更不会浸湿 腿部。因而也就被美誉为“池塘中的溜冰者”根 据这一现象科学家经过论证得出水水黾特殊腿 部微纳米结构和水面间形成的“空气垫”阻碍了 水黾的浸润,让它们实现了自然界版的“水上漂”。 据了解利用新型超疏水材料制成的超级浮力材 料河以使船表面具有超疏水性并因此在其表面 形成具体版的“空气垫” 改变船与水的接触状态 防止船体表面被水浸湿进而使其在水中运行的
层层自组装法制备超疏水表面的研究进展
山 东 化 工 收稿日期：２０２０－０４－２２作者简介：代学玉（１９８４—），女，甘肃永登人，讲师，研究方向：表面功能材料。
层层自组装法制备超疏水表面的研究进展代学玉，于娇娇，汪永丽（兰州石化职业技术学院石油化学工程学院，甘肃兰州 ７３００６０）摘要：近年来，超疏水表面因在生产、生活中具有重要的用途而引起了研究者的广泛关注。
本文将对层层自组装法制备超疏水表面的研究进展作一介绍。
关键词：超疏水；层层自组装法；微纳米结构中图分类号：Ｏ６４７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）１２－００４４－０２ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＳｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃＳｕｒｆａｃｅｓｂｙＬａｙｅｒ－ｂｙ－ｌａｙｅｒＳｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙＭｅｔｈｏｄＤａｉＸｕｅｙｕ，ＹｕＪｉａｏｊｉａｏ，ＷａｎｇＹｏｎｇｌｉ（ＬａｎｚｈｏｕＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００６０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｆｒｏｍｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｌｉｆｅ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｗｉｌｌｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｌａｙｅｒ－ｂｙ－ｌａｙｅｒｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ；ｌａｙｅｒ－ｂｙ－ｌａｙｅｒｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｅｔｈｏｄ；ｍｉｃｒｏ－ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 润湿性是液体对固体表面的一个重要界面现象，主要取决于固体表面的化学组成和表面粗糙度［１－２］。
透明超疏水的制备方法
透明超疏水的制备方法一、物理法物理法通常涉及到使用特定的物理过程来改变材料的表面特性。
一种常见的方法是机械研磨，通过研磨材料表面以产生微观结构，这些结构可以影响表面张力，从而使材料变得超疏水。
另一种方法是使用激光或电子束在材料表面刻蚀出微米或纳米级结构，这些结构可以捕获空气，使材料变得超疏水。
二、化学法化学法涉及到使用化学反应来改变材料表面的化学性质。
一种常见的方法是通过氧化或还原反应改变材料表面的官能团，这些官能团可以影响表面张力，从而使材料变得超疏水。
另一种方法是使用化学气相沉积或化学液相沉积在材料表面形成一层超疏水涂层。
三、微纳米结构构建法这种方法涉及到使用微纳米技术构建具有特定形貌和结构的表面。
例如，通过光刻、刻蚀、蒸镀等技术在基材表面构造微米或纳米级纹理，然后在这些纹理上沉积疏水材料，从而制备超疏水表面。
此外，生物模板法也是一种有效的微纳米结构构建方法，利用天然生物表面的微纳米结构，通过复制这些结构在人造材料表面构建类似的结构。
四、层层自组装法层层自组装法是一种制备超疏水表面的有效方法。
该方法基于分子间的自组装效应，通过在基材表面依次组装多层有机分子或无机纳米粒子，形成具有层级结构的薄膜。
这些层级结构能够捕获空气，降低表面能，从而使材料具有超疏水的性质。
五、相分离法相分离法是制备超疏水表面的常用方法之一。
该方法通常涉及到将低表面能物质与高表面能物质混合，然后通过相分离技术在基材表面形成微纳米级纹理。
这些纹理能够捕获空气，降低表面能，从而使材料具有超疏水的性质。
相分离法可以通过多种方式实现，如热处理、溶剂蒸发、乳液固化等。
六、电化学沉积法电化学沉积法是一种在材料表面制备超疏水涂层的方法。
该方法通常涉及将基材作为电极置于电解液中，通过电化学反应在基材表面沉积一层具有微纳米结构的涂层。
这些涂层通常由疏水性物质组成，如金属氧化物、金属氮化物或聚合物等。
电化学沉积法可以在常温常压下进行，操作简便，适用于大规模生产。
超疏水表面的原理及应用
超疏水表面的原理及应用发表时间：2019-03-20T13:41:30.343Z 来源：《科技新时代》2019年1期作者：李庭姝[导读] 超疏水表面有着广泛的应用前景，比如在减阻、润滑等方面。
本文主要介绍了超疏水表面的基本理论和相关制备方法深圳市宝安中学广东深圳 518101摘要：超疏水表面有着广泛的应用前景，比如在减阻、润滑等方面。
本文主要介绍了超疏水表面的基本理论和相关制备方法，以及它的两种影响因素和相关研究进展，并在此基础上归纳总结了超疏水表面应用的一些优缺点。
关键词：超疏水表面、润湿性、微/纳米结构、防冰冻、减阻超疏水表面的基本原理1. 自然界中有很多动植物的表面具有超疏水的性质，例如玫瑰和荷叶。
仿照生物表面的微观结构，人们开始关注仿生材料。
通过对这些生物的研究，人们对于超疏水表面的认识更加深入，新技术在生活中的应用更加广泛。
1.1超疏水表面的基本理论当液体与固体接触时，液体沿固体表面扩展的现象称为液体与固体的浸润现象。
在气体、液体、固体三相的交界处作液体表面与固体表面的切线，则此切线所构成的液体内部的夹角θ即为接触角。
液滴在斜面上时，随着斜面倾斜角的增大，液滴开始滚动的临界角则定义为滚动角。
在理想固体表面上，接触角由三相的表面张力决定，并满足Young’s[1]方程：cosθ=(γsg-γsl)/γlgγsg、γsl 、γlg分别为固-气、固-液、气-液间的表面张力。
由于真实固体表面并非理想固体的光滑表面，故必须还要考虑表面的粗糙度。
提出相关的较为成熟的基本理论有Cassie状态及Wenzel状态等。
Cassi研究了组成不均一的固体表面对液滴浸润性的影响[2]。
在Cassie理论中，水滴未进入固体表面粗糙的微孔，从而形成水滴与空气膜界面。
Cassie方程为：cosθc=f1cosθ1+f2cosθ2θc为表观接触角，θ1、θ2分别为液-气、固-气的接触角，f1和f2为液体、固体表面和空气接触的比例。
层层自组装
层层自组装简介
层层自组装技术构筑多层超薄膜的大体步骤可以概 括为:(1)基质预处理，(2)A层膜材料的吸附，(3)清
面。利用层层自组装所制得的膜结构比较清楚, 膜的 厚度与层数之间有着明确的定量关系, 而且膜厚在纳 米范围可调, 这既利于膜性能的比较又有望获取最佳 分离性能的膜厚度。
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分离方面的应用
聚电解质层层自组装纳滤膜的应用虽处在实验研究 阶段, 但由于其具有结构和性能的可控性, 显示出潜
在的应用前景。目前主要应用于以下几个方面。
收等有机体系, 但现有的纳滤膜大都存在耐有机溶剂
性差、易溶胀和不耐高温等问题。聚电解质自组装 膜耐有机溶剂能力强, 适合于有机溶剂体系中物质的 分离。
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分离方面的应用
聚电解质自组装膜可用作离子分离膜或反渗透膜用 于脱盐，但它们的分离机理不尽相同，离子分离膜
的分离机理遵循双极化膜的离子排斥模型，它是一
膜分离技术具备以下的特点： (1)膜分离过程不发生相的变化，与有相变的分离方
法相比，能耗低，是节能技术;
(2)膜分离过程通常是在常温下进行，因而特别适用 于热敏性物质，如果汁、酶、药品等的分离!分级!浓 缩和富集;
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分离方面的应用
(3)膜分离技术不仅适用于无机物和有机物，从病毒! 细菌到微粒等广泛的分离范围，而且还适用于许多
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分离方面的应用
采用膜分离技术对海水及苦咸水进行淡化时,常用的 分离膜是反渗透膜。然而, 由于层层自组装纳滤膜具
超疏水材料的应用前景
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。
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。
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。
在国外许多铝、铁、碳钢等金属以及合金表面都会用超疏水膜 来修饰,以提高其防腐蚀性。该方法可有效地运用在如管道气体、液 体运输减阻等多方面对降低运输能耗提高输送效率有很大帮助未来 有较大的开发应用空间。
在织物及过滤材料方面的应用
采用静电纺丝法或者在材料表面进行处理可 制备具有超疏水性的各种微纳米结构纤维。这类 材料因具有超疏水性能，可用于制造防水薄膜、 疏水滤膜以及防水透气薄膜等，或者使织物因疏 水性能而具有防水、防污染、防灰尘等新功能。 如美国NANOTEX公司采用纳米技术开发的 Nano-care 功能型面料;德国巴斯夫( BASF) 公司 也将荷叶效应应用到纺织品上，开发出具有超疏 水自清洁功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。
超疏水材料主要利用其自清洁、耐玷污等生物仿生方面 的特性进行开发和应用，在诸如军工、农业微流体毛细自灌 溉、管道无损运输、房屋建筑以及各种露天环境下工作的设 备的防水和防冰等方面有广阔的前景。具体有以下几方面。
涂料的自清洁特性与应用研究
涂料的自清洁特性与应用研究在当今社会，涂料作为一种广泛应用于建筑、工业、交通等领域的材料，其性能和功能不断得到拓展和创新。
其中，自清洁涂料因其独特的特性和广泛的应用前景，受到了越来越多的关注和研究。
自清洁涂料是一种具有特殊表面性能的涂料，能够在自然环境中自动去除表面的污垢、灰尘、污染物等，保持表面的清洁和光洁。
这种特性使得自清洁涂料在许多领域具有重要的应用价值。
一、自清洁涂料的原理自清洁涂料的自清洁原理主要包括两个方面：一是超疏水/超亲水特性，二是光催化作用。
超疏水特性是指涂料表面具有极低的表面能，水在其表面形成球状，容易滚落并带走表面的污垢。
这种超疏水表面通常是通过特殊的表面结构和化学组成来实现的。
例如，表面具有微纳结构的粗糙度，同时涂层中含有低表面能的物质，如氟碳化合物、硅氧烷等。
超亲水特性则是指涂料表面能够迅速吸收水分，使水分在表面形成均匀的水膜，将污垢溶解并冲走。
这种超亲水表面通常是通过在涂层中引入亲水基团或纳米粒子来实现的。
光催化作用是另一种常见的自清洁原理。
常见的光催化剂如二氧化钛（TiO₂），在紫外线或可见光的照射下，能够产生强氧化性的自由基，将有机污染物分解为无害物质。
这种光催化自清洁涂料不仅能够去除表面的污垢，还能够降解空气中的有害气体。
二、自清洁涂料的类型根据自清洁原理的不同，自清洁涂料主要可以分为以下几种类型：1、超疏水自清洁涂料这类涂料主要利用超疏水特性实现自清洁。
其在建筑外墙、玻璃幕墙、汽车表面等领域有广泛应用。
例如，建筑外墙上的超疏水涂料可以减少雨水的残留，防止污垢和藻类的附着，保持建筑物外观的清洁和美观。
2、超亲水自清洁涂料超亲水自清洁涂料在玻璃、陶瓷等表面有较好的应用。
如自清洁玻璃，能够在雨水的冲刷下迅速清洁表面，提高玻璃的透明度和采光效果。
3、光催化自清洁涂料光催化自清洁涂料由于其能够同时去除表面污垢和降解空气中的污染物，在室内外环境净化方面具有很大的潜力。
例如，在医院、学校等公共场所的墙面涂料中使用光催化自清洁涂料，可以有效减少细菌和病毒的传播，改善室内空气质量。
层层自组装与水处理
1946 年,Bigelow.W.C 及其合作者首先提出自组装概念。
1964 年,Zisman.W.A阐明了自组装的基本原理。
2
LB技术
SA技术 LBL技术
3
Langmuir一Bl液界面铺展形成单 层膜，然后借助特定的装置将其转移到固体基片上形 成单层或多层膜的技术。这样形成的LB膜，层内有序 度较高，结构较规整。
7
氢键
范德华力
配位键
作用力
静电作用力
疏水作用力
电荷转移作用
8
使用离子液体诱使自由薄膜剥离技术, 在硅片上制备聚
丙烯酸( PAA) / 聚烯丙基氯化铵( PAH) 多层薄膜，并 在氯化铜酸性溶液中完全剥离形成自由薄膜。
制备的自由薄膜在气体分离、传感器、催化薄膜、微
机械装置、人造细胞壁等领域具有潜在的应用。
1
所谓的自组装(Self-assembly)，就是自发的组装， 不需要人的介入和干预，通常是通过分子间的化学键 或超分子作用，在一定的条件下自发地形成特定的有 序结构。自组装技术是一种自下而上、由小而大的制 作方向，即由原子、分子及其集合体向较大尺寸“合 成”出器件的单元结构，并进而组织成器件的技术。
11
12
最外层为阳离子聚电解质PAH，因此制备所得NF膜 呈现明显的荷电正性，对二价阳离子盐的截留率明显 高于一价阳离子盐的截留率。由于是分子水平的组装 ，表层分离层很薄，通量普遍比目前商品化NF膜高。 随着组装层数的增加，LBL膜厚度增加，对基膜支 撑层的表面孔封作用加强，孔径减小，同时膜阻力增 大，因此膜的渗透水通量降低。
9
以碱改性聚丙烯腈(PAN)超滤膜为基膜,聚苯乙烯磺酸
钠(PSS),聚苯乙烯磺酸钠-马来酸共聚物(PSS- co-MA), 聚烯丙胺盐酸盐(PAH)为原料,采用动态自组装法制备 一种低压高通量荷正电纳滤膜。
超疏水的制备原理
超疏水的制备原理
超疏水的制备原理基于两个主要因素：物理结构和表面化学性质。
1. 物理结构：超疏水材料通常具有特殊的微纳米结构。
这种结构可以通过自组装、模板法、溶剂挥发法等多种方法制备。
这些结构通常包括微米级的微柱、微球、微刺等特殊形状，或者由纳米级的纳米棱柱、纳米球、纳米刺等构成。
这些微纳米结构可以使得液体在表面上形成高度凹凸不平的几何特征，从而降低液体与固体表面之间的接触面积，减少液体在表面上滞留的可能性，进而实现超疏水的性质。
2. 表面化学性质：超疏水材料的表面通常具有低表面能和高界面能的特点。
表面低表面能是指材料表面对液体表面具有弱吸附性，即液体的表面张力会使液滴往上升的方向“滚落”下去。
而高界面能是指材料表面对液体表面有较强的反应性，即液滴在接触到超疏水材料表面时发生变形、渗透或反应的能力有限。
这种表面化学性质常常可以通过表面改性来实现，如使用特定的化学处理方法或将特定的化合物涂覆在材料表面上。
综上所述，超疏水的制备原理在于通过物理结构和表面化学性质的设计和调控，使得材料表面具有特殊的微纳米结构和适当的表面化学性质，从而实现材料对液体的高度抗湿润和自洁性质。
纤维基超疏水功能表面制备方法的研究进展
Ｃ ｓ ｅＢ ｘｅ 模 型解 释 ａｓ ａｔ ｉ ｒ
第 ３ ３卷
第 ４期
纺 织
学 报
Ｖｏ ． １ ３３．Ｎｏ ４ ．
Ａｐｒ ．，２０１ ２
２１ ０ ２年 ４月
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＴ ｘ ｉ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ａ ｅ ｔ ｅ Ｒｅ ｅ ｒｈ ｏ ｌ
文章 编 号 ：２ ３ ９ ２ （ ０ ２ ０ — １ ６ ０ ０ ５ — ７ １ ２ １ ）４ ０ ４ －７
・１７・ ４
超疏 水 功能 的纤 维基 材料 不仅 在工 业生 产 、 医疗 、 军
用产 品方 面具 有重 要 的应 用 ， 而且 在 日常 生 活 中应 用广 泛 ， 如生 活伞 、 布 、 天 帐篷 、 篷 露 广告 旗 帜和广 告
际应用 ， 须考虑 ２个 因素 ， 必 即制 备 的纤维基 超疏 水 表 面要 满足 超 疏 水 功 能 的 稳 定 性 以及 应 用 的 耐久 性； 生产 条件 和 技术 水 平 上 具 有 可行 性 。 以下 针对 层 层组装 法 、 溶胶一 凝胶 法 、 热法 、 水 纳米 材料 负载 法 以及气 相沉 积法制 备纤 维基 超疏 水表 面进行 介绍 。
国植 物学 家从微 观 角度 揭示 出来
收 稿 １ ：０ １ ４— ５ ３期 ２ １ —０ ０
上进行 的 ， 这些基 质 因其 自身 性 质 的缺 陷 限制 其 应 用 。而 以纤 维材 料 为基质 制备 的超 疏水 表 面因基 质
超疏水的基本原理
我们在研究固体表面性质的时候通常会研究其湿润性，研究表明湿润性是固体表面的重要性质之一。
一般用接触角来表示固体表面的润湿性，当接触角大于90°的面称为疏水面，接触角大于150°的面称为超疏水面。
日常生活中的荷叶因其表面上的乳突和蜡状物使荷叶表面具有超疏水特性，表现为荷叶的自洁净功能；水黾因其腿部上微米级刚毛上和其上存在着的很多纳米级沟槽，微米刚毛和纳米沟槽的缝隙中能形成空隙，形成的稳定气膜能够阻碍水滴的浸润，表现出超疏水特性，使其能在水上自由行走，而不会沉入水中。
1.超疏水的基本原理（1）接触角液体与固体表面之间的相互作用程度，固体与液体之间形成的夹角即为接触角，接触角的大小由黏附力来决定，黏附力会由固体表面性质不同、液体性质的不同以及固体与液体之间的相互作用不同而形成不同的黏附力，黏附力越大，接触面积也就越大，夹角也就越小，反之，黏附力越小，接触面积就越小，夹角也就越大。
（2）润湿指液体能接触到固体并附着在固体表面的现象。
湿润可以说是固体与液体之间的分子作用力引起的，就是之前提到的黏附力，黏附力体现出固液之间的接触能力。
（3）湿润现象的微观解释若两相相互接触时互不相溶，那么湿润从宏观上就是一种现象。
但从微观上解释可根据界面层的理论。
界面层就是薄层，位于界面附近。
目前人们已知界面层模型有3 种，即Gibbs 分割表面型、Guggenheim 过渡层型与物理界面型。
物理界面层模型：液体与固体接触处存在分子作用半径厚度的液膜，此为液体与固体交界后液相的界面层。
在这个薄层中的分子，一边受到液相分子作用力，即内聚力；而另一边受到固相内部分子作用力，即黏附力。
产生不湿润的根本原因在于内聚力大于黏附力；产生润湿的根本原因在于黏附力大于内聚力。
（4）影响接触角的因素接触角的大小可以看出润湿程度，也可以看出固液之间相互作用的程度，能够判断出黏附力的强弱。
液体和固体的不同，其对应的接触角是有区别的，有些区别还很大。
超疏水材料介绍
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°。
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
超疏水涂层的制备与性能研究
超疏水涂层的制备与性能研究一、引言在当今科技迅速发展的时代，超疏水涂层因其独特的性能引起了广泛的关注和研究。
超疏水涂层是指表面与水的接触角大于 150°，滚动角小于 10°的涂层。
这种特殊的表面性能赋予了材料自清洁、防腐蚀、抗结冰等诸多优异特性，在航空航天、船舶、建筑、医疗等领域具有广阔的应用前景。
二、超疏水涂层的制备方法（一）溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种常见的制备超疏水涂层的方法。
其基本原理是通过将金属醇盐或无机盐在溶剂中水解和缩聚，形成溶胶，然后经过凝胶化、干燥和热处理等过程得到涂层。
在制备过程中，可以通过控制反应物的浓度、反应条件以及添加表面改性剂等手段来调控涂层的表面粗糙度和化学组成，从而实现超疏水性能。
（二）化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）是将含有涂层组成元素的气态物质在一定的温度和压力条件下发生化学反应，在基底表面沉积形成涂层。
该方法可以制备出均匀、致密的超疏水涂层，但设备成本较高，操作复杂。
（三）静电纺丝法静电纺丝法是利用高压电场将聚合物溶液或熔体拉伸成纳米级纤维，然后将这些纤维收集在基底上形成涂层。
通过选择合适的聚合物和调整纺丝参数，可以控制涂层的微观结构和表面性能，实现超疏水效果。
（四）层层自组装法层层自组装法是基于分子间的相互作用力，如静电引力、氢键、范德华力等，将带相反电荷或具有互补官能团的物质交替沉积在基底表面形成多层结构的涂层。
通过合理设计组装的分子和层数，可以调节涂层的粗糙度和化学组成，达到超疏水的目的。
三、超疏水涂层的性能（一）自清洁性能超疏水涂层的自清洁性能是其最为显著的特点之一。
当水滴在涂层表面滚落时，能够带走表面的灰尘和污染物，使表面保持清洁。
这一性能在建筑外墙、太阳能电池板等领域具有重要的应用价值，可以减少人工清洁的成本和时间。
（二）防腐蚀性能超疏水涂层可以有效地阻止水和腐蚀性介质与基底的接触，从而提高材料的耐腐蚀性能。
涂层表面的微小空气囊可以隔绝外界的氧气和水分，减缓腐蚀反应的发生。
超疏水原理
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
Cassie方程
Cassie 发展了Wenzel 理论,假定水与空 气的接触角为180°,提出粗糙的低表面 能表面具有超疏水性的机理,用以描述水 在粗糙固体表面上的接触角θc
Cassie方程
式中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。
超疏水涂层导读
辛辉 金桃燕
内容简介
1.超疏水现象 2.超疏水表面的基本理论 3.超疏水表面的构造方法 4.超疏水性的功能及应用 5.目前研究与实用的状况
超疏水现象
超疏水表面基本理论
光滑表面的yang氏方程 粗粗糙糙表面表的面We的nzW el方e程nzel方程 粗糙表面的Cassie方程 Wenzel方程和Cassie方程的适用性 接触角滞后 水滴在超疏水表面的动态润湿性 粗糙表面Wenzel状态和Cassie状态的关系
• 两者的差值(θa -θr ) 称为接触 角滞后。
• 表观接触角则处于前进角和后退角
两个临界值范围之间
接触角滞后
接触角滞后的存在使得水滴在倾斜 的表面上不一定向下移动。随着倾 斜角的增大,在重力作用下,水滴前 部分的接触角增加而后部分的接触 角减小。只有同时达到临界接触角 时水滴才会向下滑动,定义这时的倾
杨氏方程
表面张力：分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，所以有净吸力存在，
致使液体表面的分子有被拉入液体内部的倾向，所以任何液体表面都有自发缩小的倾向， 这是液体表面表现出表面张力的原因。
广为接受的光滑表面上的Yong氏方程描述了固液气三相界面上液 体对固体的本征静态接触角和三相间的表面张力的关系：
当θ> 90°时表现为疏水性 θ<90°时表现为亲水性
镁合金超疏水自修复涂层的设计原理及防护机制
镁合金超疏水自修复涂层的设计原理及防护机制
镁合金超疏水自修复涂层具有以下设计原理和防护机制：
1. 微纳级结构表面设计：利用纳米和微米级别的表面结构设计，使涂层表面具有丰富的微小凹陷或微球形结构。
这些结构可以通过改变涂层表面的接触角来实现超疏水性，使液体形成球状滚落从而减少接触面积和降低污染粘附。
2. 自修复能力：在涂层中添加自修复剂，当涂层表面发生刮擦、磨损或其他损伤时，自修复剂会重新填充和修复涂层表面的损伤部位。
这些自修复剂可以是微胶囊封装的液体或聚合物，当受到刺激时会释放并填充损伤部位。
3. 耐腐蚀性和耐高温性：涂层中可添加防腐蚀和耐高温添加剂，以提高涂层的耐腐蚀性能和耐高温性能。
这些添加剂可以吸附在涂层表面，形成保护膜，阻隔腐蚀物质的侵入，同时能够抵御高温腐蚀。
4. 涂层附着力和耐磨损性：通过在涂层中添加附着剂和增强剂，提高涂层与基材之间的附着力和涂层的耐磨损性。
这些添加剂可以增加涂层的粘结强度和硬度，使涂层具有更好的耐磨损和附着性能。
综上所述，镁合金超疏水自修复涂层的设计原理和防护机制是通过微纳结构设计实现超疏水性，添加自修复剂实现涂层表面的自我修复，加入防腐蚀和耐高温添加剂以提高涂层的耐腐蚀
性和耐高温性，以及使用附着剂和增强剂提高涂层的附着力和耐磨损性。
层层自组装超疏水原理
层层自组装原理
用层层自组装的技术制备超薄膜,以水溶性聚阳离子和聚阴离子在带正电荷的平板基片上的交替沉积为例,（1）将带正电荷的基片先浸入聚阴离子溶液中,静置一段时间后取出,由于静电作用,基片上会吸附一层聚阴离子。
此时,基片表面所带的电荷由于聚阴离子的吸附而变为电负性；（2）洗涤基片表面,去掉以游离态存在基片上的聚阴离子,并将沉积有一层聚阴离子的基片干燥；（3）将上述基片转移至聚阳离子溶液中,基片表面便会吸附一层聚阳离子,表面电荷恢复为电正性；（4）洗涤基片表面,去掉以游离态存在基片上的聚阳离子,并将沉积有一层聚阳离子的基片干燥。
这样便完成了聚阳离子和聚阴离子组装的一个循环。
重复上述操作便可得到多层超薄膜，超薄膜的制备过程可描述如下图：
驱动力：（1）相反电荷间的静电或其他作用力的吸附。
由于阴阳离子间的静电吸附形成离子对,使得游离态的聚电解质能够沉积到底膜上来。
事实上,不仅仅静电力可以作为自组装的沉积驱动力,其他作用力比如氢键等也可以使聚合物有序地组装到一起；
（2）电荷的过渡补偿。
当溶液中的聚电解质沉积到底膜上中和了底膜上相反电荷时,这种沉积现象不会马上停止,而是聚电解质继续沉积到一定程度、底膜上的聚电解质和溶液中聚电解质之间的静电排斥力足够大为止。
此外,由于阴阳离子间强的离子键作用,能够有效地避免聚电解质
在溶液中的解吸附。
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层层自组装原理
用层层自组装的技术制备超薄膜,以水溶性聚阳离子和聚阴离子在带正电荷的平板基片上的交替沉积为例,（1）将带正电荷的基片先浸入聚阴离子溶液中,静置一段时间后取出,由于静电作用,基片上会吸附一层聚阴离子。
此时,基片表面所带的电荷由于聚阴离子的吸附而变为电负性；（2）洗涤基片表面,去掉以游离态存在基片上的聚阴离子,并将沉积有一层聚阴离子的基片干燥；（3）将上述基片转移至聚阳离子溶液中,基片表面便会吸附一层聚阳离子,表面电荷恢复为电正性；（4）洗涤基片表面,去掉以游离态存在基片上的聚阳离子,并将沉积有一层聚阳离子的基片干燥。
这样便完成了聚阳离子和聚阴离子组装的一个循环。
重复上述操作便可得到多层超薄膜，超薄膜的制备过程可描述如下图：
驱动力：（1）相反电荷间的静电或其他作用力的吸附。
由于阴阳离子间的静电吸附形成离子对,使得游离态的聚电解质能够沉积到底膜上来。
事实上,不仅仅静电力可以作为自组装的沉积驱动力,其他作用力比如氢键等也可以使聚合物有序地组装到一起；
（2）电荷的过渡补偿。
当溶液中的聚电解质沉积到底膜上中和了底膜上相反电荷时,这种沉积现象不会马上停止,而是聚电解质继续沉积到一定程度、底膜上的聚电解质和溶液中聚电解质之间的静电排斥力足够大为止。
此外,由于阴阳离子间强的离子键作用,能够有效地避免聚电解质
在溶液中的解吸附。