超疏水材料ppt课件
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✓ 接触角的滞后性
✓ 真实固体表面在一定程度上或者粗糙不平或者化学组成不均一，这就使得实 际物体表面上的接触角并非如Young方程所预示的取值唯一。而是在相对稳 定的两个角度之间变化，这种现象被称为接触角滞后现象，上限为前进接触 角θ₁，下限为后退接触角θ₂，二者差△θ= θ₁- θ₂定义为接触角滞后性
面的疏（亲）水性能
14
超疏水表面的制备
一种是在粗 糙表面修饰 低表面能物
质
制备原理
✓ 一种是将疏 水材料构筑 粗糙表面
Байду номын сангаас
15
超疏水表面（材料）制备方法
16
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。
超疏水高分子材料
1
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
2
超疏水高分 子材料的综
述
3
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
9
✓ 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）:
✓
✓ 超疏水的表征量 ✓ 静态接触角：越大越好 ✓ 滚动角：越小越好
4
接触角和滚动角
✓ 滚动角（SA）：滚动角是指液滴在 ✓ 倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表 ✓ 面与水平面所形成的临界温度。等于 ✓ 前进角和后腿脚之差。 ✓ 前进角：液固界面取代气固界面后形 ✓ 成的接触角叫做前进角； ✓ 后腿角：气固界面取代液固界面后形 ✓ 成的接触角叫做后退角。
24
25
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； 冰箱、冷柜等制冷设备的内胆表面上，凝聚水、结霜、结冰现象； 天然气、石油管道内壁表面超疏水分子膜； 用于微量注射器针尖，可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由
5
不同表面水滴接触界面状态
6
自然界的启示
自然界不会活性聚合，也不会乳液聚合， 却可以有着比任何人工合成材料更好的 疏水性能——所谓“超疏水”的生命现 象
7
蝉翼表面的超疏水结构
蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，纳米柱的直径大约在80nm，纳米 柱的间距大约在180nm。规则排列纳米突起所构建的粗糙度使其表面稳定吸 附了一层空气膜，诱导了其超疏水的性质，从而确保了自清洁功能。 8
17
模板法
18
2.等离子体法
✓ 等离子体：是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离 后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存 在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在 的第四态。
✓ 等离子体法原理：利用等离子体对表面进行处理，获得 粗糙结构，从而得到超疏水性的材料表面。
✓ 优点：快速、选择性高、表面均匀 ✓ 缺点：设备昂贵，且不利于大面积制备。
此带来的对针尖的污染； 防水和防污处理； ..........
26
沙漠集水器
27
沙漠集水
28
轮船船底涂料
29
30
31
天然气管道内表面超疏水分子膜及其防腐性能
天然气管道表面经超疏水改性前后腐蚀液滴的浸
润形貌对比图
32
展望
✓ 固体表面的润湿性是一种复杂的性质，它对固体的其它 各种表面特性都有影响。目前对固体材料的润湿性的控 制、超疏水涂料工业化的研究仍很有限，有待进行详尽 的探索。超疏水涂料涉及表面科学、纳米科技、材料科 技等众多领域，是一种工业上非常重要的技术，在医药 、生物科技、化学工程领域也具有广阔的应用前景、是 纳米科技的应用体现之一。
12
Cassie模型
✓ Cassie模型：气垫模型（由空气和固体组成的固体界面）
13
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
✓ 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。
✓ γSV = γSL + γLV×cosθe γSV γSL γLV分别为顾气、固液、液气间的
液面张力
10
✓ 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
✓
11
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。
19
20
21
3.化学气相沉积法
✓ 原理：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室 内，然后它们相互之间发生化学反应，形成一种新的材 料，沉积到晶片表面上。化学气相沉积法是传统的制备 薄膜的技术。
✓ 特点：该方法成本较高，一般用于一些特殊材料的制备 。
22
4.静电纺丝法
✓ 静电纺丝：静电纺丝就是高分子流体静电雾 化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是 微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行 相当长的距离，最终固化成纤维。 ✓ 特点：电纺丝具有设备简单，可大面积快速 制备，工艺可控等特点，适用于工业化生产 。但它的一个较大缺点就是表面微结构的可 控性与均匀性比较差。
✓ 真实固体表面在一定程度上或者粗糙不平或者化学组成不均一，这就使得实 际物体表面上的接触角并非如Young方程所预示的取值唯一。而是在相对稳 定的两个角度之间变化，这种现象被称为接触角滞后现象，上限为前进接触 角θ₁，下限为后退接触角θ₂，二者差△θ= θ₁- θ₂定义为接触角滞后性
面的疏（亲）水性能
14
超疏水表面的制备
一种是在粗 糙表面修饰 低表面能物
质
制备原理
✓ 一种是将疏 水材料构筑 粗糙表面
Байду номын сангаас
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超疏水表面（材料）制备方法
16
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。
超疏水高分子材料
1
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
3
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
9
✓ 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）:
✓
✓ 超疏水的表征量 ✓ 静态接触角：越大越好 ✓ 滚动角：越小越好
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接触角和滚动角
✓ 滚动角（SA）：滚动角是指液滴在 ✓ 倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表 ✓ 面与水平面所形成的临界温度。等于 ✓ 前进角和后腿脚之差。 ✓ 前进角：液固界面取代气固界面后形 ✓ 成的接触角叫做前进角； ✓ 后腿角：气固界面取代液固界面后形 ✓ 成的接触角叫做后退角。
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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； 冰箱、冷柜等制冷设备的内胆表面上，凝聚水、结霜、结冰现象； 天然气、石油管道内壁表面超疏水分子膜； 用于微量注射器针尖，可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由
5
不同表面水滴接触界面状态
6
自然界的启示
自然界不会活性聚合，也不会乳液聚合， 却可以有着比任何人工合成材料更好的 疏水性能——所谓“超疏水”的生命现 象
7
蝉翼表面的超疏水结构
蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，纳米柱的直径大约在80nm，纳米 柱的间距大约在180nm。规则排列纳米突起所构建的粗糙度使其表面稳定吸 附了一层空气膜，诱导了其超疏水的性质，从而确保了自清洁功能。 8
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模板法
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2.等离子体法
✓ 等离子体：是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离 后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存 在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在 的第四态。
✓ 等离子体法原理：利用等离子体对表面进行处理，获得 粗糙结构，从而得到超疏水性的材料表面。
✓ 优点：快速、选择性高、表面均匀 ✓ 缺点：设备昂贵，且不利于大面积制备。
此带来的对针尖的污染； 防水和防污处理； ..........
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沙漠集水器
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沙漠集水
28
轮船船底涂料
29
30
31
天然气管道内表面超疏水分子膜及其防腐性能
天然气管道表面经超疏水改性前后腐蚀液滴的浸
润形貌对比图
32
展望
✓ 固体表面的润湿性是一种复杂的性质，它对固体的其它 各种表面特性都有影响。目前对固体材料的润湿性的控 制、超疏水涂料工业化的研究仍很有限，有待进行详尽 的探索。超疏水涂料涉及表面科学、纳米科技、材料科 技等众多领域，是一种工业上非常重要的技术，在医药 、生物科技、化学工程领域也具有广阔的应用前景、是 纳米科技的应用体现之一。
12
Cassie模型
✓ Cassie模型：气垫模型（由空气和固体组成的固体界面）
13
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
✓ 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。
✓ γSV = γSL + γLV×cosθe γSV γSL γLV分别为顾气、固液、液气间的
液面张力
10
✓ 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
✓
11
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。
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20
21
3.化学气相沉积法
✓ 原理：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室 内，然后它们相互之间发生化学反应，形成一种新的材 料，沉积到晶片表面上。化学气相沉积法是传统的制备 薄膜的技术。
✓ 特点：该方法成本较高，一般用于一些特殊材料的制备 。
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4.静电纺丝法
✓ 静电纺丝：静电纺丝就是高分子流体静电雾 化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是 微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行 相当长的距离，最终固化成纤维。 ✓ 特点：电纺丝具有设备简单，可大面积快速 制备，工艺可控等特点，适用于工业化生产 。但它的一个较大缺点就是表面微结构的可 控性与均匀性比较差。