铝合金超疏水性研究
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铝合金超疏水性研究
报告人：黄高仁
当液体与固体接触时，液体会沿着固体表面向 外扩展，同时系统中原来的固气界面和液气界面逐 渐地被新的固液界面取代，这一过程称为润湿。 无论是基础研究还是在实际应用方面，浸润性 都是影响固体表面性能的重要因素之一，其主要由 几何结构和化学成分共同决定。接触角和滚动角的 大小是衡量表面浸润性最常规的标准。表面的浸润 性与许多物理化学过程，如吸附、润滑、粘合、分 散和摩擦等密切相关。在催化、采油、选矿、润滑、 涂饰、防水和生物医用材料等众多领域中，表面浸 润性都有着重要的应用。
式中 fSL和 fLV分别表示固液和液气界面所占的面积分 数( fSL + fLV=1) 通常， Cassie 润湿状态比较脆弱，在外界因素的干扰 下会不可逆地转变为相对稳定的Wenzel 润湿状态，并 伴随着固体表面超疏水性的丧失。一旦 Cassie 润湿状 态被破坏就很难再恢复，因为相反的润湿转变需要更 大的激活能。
其次, 从实际应用角度考虑, 现有的超疏水表面的 强度和持久性差, 使得这种表面在许多场合的应用受 到限制。表面的微结构也因机械强度差而易被外力 破坏, 导致超疏水性的丧失;另外在一些场合或长期使 用中表面也可能被油性物质污染, 使得疏水性变差。 开发具有表面微结构可修复的超疏水表面及实现超 双疏功能(既疏水又疏油)可能是解决实际应用问题的 最佳方案。 此外, 从理论分析角度考虑 , 对于表面微结构的 几何形貌、尺寸与表面浸润性, 尤其是与滞后直接联 系的定量研究还有待深入。最后, 超疏水表面的应用 领域还有待拓展 , 尤其是在生物领域中。在超疏水表 面上具有生物活性物质如细胞、蛋白等的生长、与 表面间的相互作用等都将是值得研究的内容。
Biblioteka Baidu
（6）超疏水表面用于冰箱等相关冷冻设备上，可使表面不会 产生凝露，防止冷风机结冰等问题
自然界中存在的超疏水现象
水滴与荷叶表面的静态接触角达到了惊人的 161º
荷叶的自清洁效应
Young氏方程
Wenzel方程
r =实际面积/投影面积，即表面的疏水性随表面粗糙 程度的增加而增强。
1944年，Cassie和Baxter又进一步拓展了Wenzel 理论。
不同方法制备的超疏水表面：（ a）光刻技术；（ b）等离 子刻蚀；（c）静电纺织；（d）电化学聚合；（e）电化学 沉积；（f）溶胶凝胶法；（g）自组装；（h）层层组装
金属具有较高的表面自由能，是典型的固有亲水 材料。几乎所有的液体都能轻易地在金属表面铺展并 润湿金属表面。 因此，制备金属超疏水表面通常需要在金属基体 上构建粗糙结构并使用低表面能材料对粗糙基体表面 进行化学修饰以降低金属材料的表面自由能。超疏水 金属表面的制备方法主要有2种: ① 构建粗糙结构和表 面改性分开进行的两步法； ② 粗糙化和化学改性同 时进行的一步法。
具体的制备方法有模板法、分子自组装法、化学 刻蚀法、电化学沉积法、复合法、阳极氧化法、可控 氧化法、一步浸泡法等。表面改性剂一般选用表面能 较低的聚合物，如氟碳树脂( 聚四氟乙烯) 、有机硅树 脂( 聚二甲基硅氧烷) 、氟硅树脂( 氟硅烷) 和长链聚合 物( 硬脂酸) 等。 在实际加工过程中，粗糙结构往往由微米级、纳米 级及介观尺寸结构所组成，因此液滴在固体表面的接 触呈现多样化，试样表面的粗糙结构可以轻易捕获大 量的空气，在其表面形成一层空气膜。由此，液体与 固体界面的接触由固、液两相的接触转变为固、液、 气三相的复合接触。由试样表面的微观结构可知，试 样表面分布着微纳复合粗糙结构，表面微纳结构的变 化可以导致非复合与复合润湿状态之间的转变。
化学刻蚀法一般是指在不通电的情况下，采用浸渍、滴定 等方式，使得金属表面与刻蚀溶液相接触，发生化学反应， 得到特殊结构的表面。这是利用金属存在的晶格缺陷或不 同成分合金的耐腐蚀性能差异进行选择性刻蚀的结果，从 而提高表面的疏水性。
阳极氧化法是一种电化学处理方法，是指将金属及其合金作为 阳极，置于电解质溶液中进行通电处理，使其表面形成一层致 密且相对稳定的氧化薄膜。Wang等首先通过阳极氧化法在铝片 表面上形成多孔结构，然后对表面进行低温等离子体处理，在 多孔结构上进一步生成突起结构，再经过三氯十八基硅烷修饰， 制备出接触角达到 157.8°的超疏水表面。
超疏水性（superhydropHobic ），超疏水表面是指具有 非常高的水接触角，且水滴能轻易流动的表面，具有特殊黏 附性的超疏水性表面在自清洁、防雪防雾、防腐抗阻、微流 体芯片、无损失液体输送等方面都表现出了极为诱人的应用 前景。
（1）功能性超疏水表面用于金属材料上，可以起到装饰、自 清洁、变色调控和抑制表面腐蚀等作用
（2）透明性的超疏水表面在汽车玻璃、窗户、眼镜等方面的 应用。还有由于材料具有自清洁性，可用于陶瓷、混凝土、 木材等建筑材料 （3）智能超疏水材料用于船舶、舰艇，可降低水流阻力，抑 制噪音传播 （4）微流体装置内壁涂有超疏水膜，可降低流体的流动阻力 从而减小损失 （5）特殊用途的服装等纺织品上运用超疏水材料，可以起到 防水防污效果
粗糙的疏水表面上存在两种疏水状态 :对于中等 疏水的表面(90°<θ<θc,θ是表面的本征接触角, θc 是 由表面粗糙结构决定的临界值), 表观接触角θ＊可由 Wenzel 公式计算, 称之为Wenzel 状态;如果θ大于θc , 粗糙表面上的水珠实际是停留于空气和固体组成的 复合表面上, 该状态为Cassie 态。在Wenzel 和Cassie 状态下都具有高的接触角, 但是一般来说, 后者的接 触角滞后要明显小于前者, 水滴易滚动。
电镀就是利用电解原理，在电源的作用下，使浸渍在该溶液中 的阳极和阴极之间发生电化学反应，在金属表面上镀以薄层其 它金属或合金。Chen等在以氯化镧，肉豆蔻酸及乙醇溶液组成 的电解质溶液中用电化学沉积法在铝、铜、钢表面得到了具有 微纳米双层结构的超疏水表面。
大部分制备超疏水表面的方法涉及特定的设 备、苛刻的条件和较长的周期，从制备方法上看， 大部分还存在不足： （1）阳极氧化法能处理的材料种类有限,且存在成 本和能耗过高的生产实际问题。 （2）化学刻蚀法快速、简单、成本低廉，但反应 稳定性不好，并受到金属晶格的限制。 （3）模板法的缺点是预先制备模板比较麻烦，且 制备过程比较复杂且有一定的难度。
报告人：黄高仁
当液体与固体接触时，液体会沿着固体表面向 外扩展，同时系统中原来的固气界面和液气界面逐 渐地被新的固液界面取代，这一过程称为润湿。 无论是基础研究还是在实际应用方面，浸润性 都是影响固体表面性能的重要因素之一，其主要由 几何结构和化学成分共同决定。接触角和滚动角的 大小是衡量表面浸润性最常规的标准。表面的浸润 性与许多物理化学过程，如吸附、润滑、粘合、分 散和摩擦等密切相关。在催化、采油、选矿、润滑、 涂饰、防水和生物医用材料等众多领域中，表面浸 润性都有着重要的应用。
式中 fSL和 fLV分别表示固液和液气界面所占的面积分 数( fSL + fLV=1) 通常， Cassie 润湿状态比较脆弱，在外界因素的干扰 下会不可逆地转变为相对稳定的Wenzel 润湿状态，并 伴随着固体表面超疏水性的丧失。一旦 Cassie 润湿状 态被破坏就很难再恢复，因为相反的润湿转变需要更 大的激活能。
其次, 从实际应用角度考虑, 现有的超疏水表面的 强度和持久性差, 使得这种表面在许多场合的应用受 到限制。表面的微结构也因机械强度差而易被外力 破坏, 导致超疏水性的丧失;另外在一些场合或长期使 用中表面也可能被油性物质污染, 使得疏水性变差。 开发具有表面微结构可修复的超疏水表面及实现超 双疏功能(既疏水又疏油)可能是解决实际应用问题的 最佳方案。 此外, 从理论分析角度考虑 , 对于表面微结构的 几何形貌、尺寸与表面浸润性, 尤其是与滞后直接联 系的定量研究还有待深入。最后, 超疏水表面的应用 领域还有待拓展 , 尤其是在生物领域中。在超疏水表 面上具有生物活性物质如细胞、蛋白等的生长、与 表面间的相互作用等都将是值得研究的内容。
Biblioteka Baidu
（6）超疏水表面用于冰箱等相关冷冻设备上，可使表面不会 产生凝露，防止冷风机结冰等问题
自然界中存在的超疏水现象
水滴与荷叶表面的静态接触角达到了惊人的 161º
荷叶的自清洁效应
Young氏方程
Wenzel方程
r =实际面积/投影面积，即表面的疏水性随表面粗糙 程度的增加而增强。
1944年，Cassie和Baxter又进一步拓展了Wenzel 理论。
不同方法制备的超疏水表面：（ a）光刻技术；（ b）等离 子刻蚀；（c）静电纺织；（d）电化学聚合；（e）电化学 沉积；（f）溶胶凝胶法；（g）自组装；（h）层层组装
金属具有较高的表面自由能，是典型的固有亲水 材料。几乎所有的液体都能轻易地在金属表面铺展并 润湿金属表面。 因此，制备金属超疏水表面通常需要在金属基体 上构建粗糙结构并使用低表面能材料对粗糙基体表面 进行化学修饰以降低金属材料的表面自由能。超疏水 金属表面的制备方法主要有2种: ① 构建粗糙结构和表 面改性分开进行的两步法； ② 粗糙化和化学改性同 时进行的一步法。
具体的制备方法有模板法、分子自组装法、化学 刻蚀法、电化学沉积法、复合法、阳极氧化法、可控 氧化法、一步浸泡法等。表面改性剂一般选用表面能 较低的聚合物，如氟碳树脂( 聚四氟乙烯) 、有机硅树 脂( 聚二甲基硅氧烷) 、氟硅树脂( 氟硅烷) 和长链聚合 物( 硬脂酸) 等。 在实际加工过程中，粗糙结构往往由微米级、纳米 级及介观尺寸结构所组成，因此液滴在固体表面的接 触呈现多样化，试样表面的粗糙结构可以轻易捕获大 量的空气，在其表面形成一层空气膜。由此，液体与 固体界面的接触由固、液两相的接触转变为固、液、 气三相的复合接触。由试样表面的微观结构可知，试 样表面分布着微纳复合粗糙结构，表面微纳结构的变 化可以导致非复合与复合润湿状态之间的转变。
化学刻蚀法一般是指在不通电的情况下，采用浸渍、滴定 等方式，使得金属表面与刻蚀溶液相接触，发生化学反应， 得到特殊结构的表面。这是利用金属存在的晶格缺陷或不 同成分合金的耐腐蚀性能差异进行选择性刻蚀的结果，从 而提高表面的疏水性。
阳极氧化法是一种电化学处理方法，是指将金属及其合金作为 阳极，置于电解质溶液中进行通电处理，使其表面形成一层致 密且相对稳定的氧化薄膜。Wang等首先通过阳极氧化法在铝片 表面上形成多孔结构，然后对表面进行低温等离子体处理，在 多孔结构上进一步生成突起结构，再经过三氯十八基硅烷修饰， 制备出接触角达到 157.8°的超疏水表面。
超疏水性（superhydropHobic ），超疏水表面是指具有 非常高的水接触角，且水滴能轻易流动的表面，具有特殊黏 附性的超疏水性表面在自清洁、防雪防雾、防腐抗阻、微流 体芯片、无损失液体输送等方面都表现出了极为诱人的应用 前景。
（1）功能性超疏水表面用于金属材料上，可以起到装饰、自 清洁、变色调控和抑制表面腐蚀等作用
（2）透明性的超疏水表面在汽车玻璃、窗户、眼镜等方面的 应用。还有由于材料具有自清洁性，可用于陶瓷、混凝土、 木材等建筑材料 （3）智能超疏水材料用于船舶、舰艇，可降低水流阻力，抑 制噪音传播 （4）微流体装置内壁涂有超疏水膜，可降低流体的流动阻力 从而减小损失 （5）特殊用途的服装等纺织品上运用超疏水材料，可以起到 防水防污效果
粗糙的疏水表面上存在两种疏水状态 :对于中等 疏水的表面(90°<θ<θc,θ是表面的本征接触角, θc 是 由表面粗糙结构决定的临界值), 表观接触角θ＊可由 Wenzel 公式计算, 称之为Wenzel 状态;如果θ大于θc , 粗糙表面上的水珠实际是停留于空气和固体组成的 复合表面上, 该状态为Cassie 态。在Wenzel 和Cassie 状态下都具有高的接触角, 但是一般来说, 后者的接 触角滞后要明显小于前者, 水滴易滚动。
电镀就是利用电解原理，在电源的作用下，使浸渍在该溶液中 的阳极和阴极之间发生电化学反应，在金属表面上镀以薄层其 它金属或合金。Chen等在以氯化镧，肉豆蔻酸及乙醇溶液组成 的电解质溶液中用电化学沉积法在铝、铜、钢表面得到了具有 微纳米双层结构的超疏水表面。
大部分制备超疏水表面的方法涉及特定的设 备、苛刻的条件和较长的周期，从制备方法上看， 大部分还存在不足： （1）阳极氧化法能处理的材料种类有限,且存在成 本和能耗过高的生产实际问题。 （2）化学刻蚀法快速、简单、成本低廉，但反应 稳定性不好，并受到金属晶格的限制。 （3）模板法的缺点是预先制备模板比较麻烦，且 制备过程比较复杂且有一定的难度。