疏水表面pot

复制模塑技术制备仿生超疏水表面的研究进展

超疏水表面的概念1超疏水基本理论

2复制模塑技术制备仿生超疏水表面

3结语

4主要内容

一超疏水表面的概念

❖表面的疏水性能通常用表面

与水的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。自然界中许

多植物叶片都具有超疏水性

能,可以实现“自清洁”,其中

以荷叶为最著名的代表,因此

把这种自清洁功能称为“荷

图1 不同表面水滴接触界面状态

在疏水在材料表面构建粗糙结构如何得到超

疏水表面

用低表面能

物质修饰粗

糙表面

如何得到超疏水表面

❖实验表明：即使采用最低表面能的氟硅烷分子自

组装修饰的光滑表面与水的接触角也不超120°，所以低表面能材料只是制备超疏水表面的基本条件，而具有足够粗糙度的微结构才是决定性的。❖因此,超疏水表面制备技术的关键在于构建合适

的表面微细结构,由于目前制备疏水表面的研究

时间不长,虽然也提出了不少方法,但大多都存在

成本高、工艺复杂、仪器昂贵等缺点。

图2 荷叶表面的双微光结构

❖用扫描电子显微镜( scanning electron microscope，SEM) 观测了荷叶表面的微观结构，如图2所示。从图2

（a)和图2(b)可以清晰地看出，荷叶表面存在双微观结构，即微米尺度的微观结构和纳米尺度的微观结构。图中大的白色块状结构为微米尺度的乳突，其尺度分布较均匀，特

征尺度大小和间距约在10μm左右。图2( c) 是单个乳突的高倍SEM 图，这就是纳米尺度的蜡质晶体，其形态为纤维状，单根纤维的直径大约为50～100 nm，其长度约为0.5～1μm ，间距约为100～200 nm。

图3 荷叶表面双微观结构模型

❖从上面模型可看出：由于荷叶双微观结构的存在，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，使得水珠只与荷叶表面乳突上面的蜡质晶体毛茸相接触，显著减小了水珠与固体表面的接触面积，扩大了水珠与空气的界面，因此液滴不会自动扩展，而保持其球体状，这就是荷叶表面具有超疏水性的原因所在。

二超疏水基本理论

❖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程度。关于接触角有3 大著名方程,即Young方程、Wenzel 方程和Cassie 方程。

❖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:

cosθ=(γSV–γSL)/γLV

式中:γLV、γSV、γSL分别表示液-气、固-气、固-液界面的表面张力。θ> 90°为疏水表面,反之为亲水表面。

图4 固体表面液滴的平衡状态

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假设粗糙表面具有凹槽和凸起结构

Wenzel理论Cassie理论

液体完全完全渗入到所接触的粗糙表面凹槽中每个凹槽内截有空气，水无法渗透到凹槽内，导致空气滞留在表面凹陷处

表面疏水时，增大固体表面的粗糙度能增大表面的疏水性

图5 Wenzel和Cassie描述的水滴在粗糙表面的模型

❖Wenzel 方程：cosθr= rcosθ

式中: r 为表面粗糙度,即实际固-液界面接触面积与表观固-液界面接触面积之比;θ是本征接触角;θr 是表观接触角,即液体在粗糙表面的接触角。可以看出,当θ> 90°时,θr 随着表面粗糙度的增加而增大。

❖Cassie 方程: cosθr = f 1cosθ1+ f 2 cosθ

式中: f 1和f 2分别是粗糙表面接触面中固-液和气-液的接触分数,且f 1 + f 2 = 1 。由该方程可知,空气比例越接1 ,该表面接触角就越接近180°,疏水能力也就越强。从上述理论模型可知,通过制备具有特殊结构的表面可以提高固体表面的接触角。

三复制模塑技术制备仿生超疏水表面

❖复制模塑技术作为软刻蚀技术的代表方法之一,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。

❖仿生复制模塑(如图6所示) 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,固化A 并从荷叶表面剥离,得到负型结构的软模板B ,然后以此软模板为图形转移元件,将其表面的负型结构转移到其它材料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。

图6 复制模塑技术制备仿生超疏水表面的操作示意图

1

直接复制模塑(二次材料仍为预聚物)

2

溶液复制

模塑(二次

材料为溶

液)

3

热模塑(二

次材料为

热塑性聚

合物)

按第二次转移时所使用材料

C 性状的不同

为了能够顺利地复制荷叶、芋头叶、水稻叶等自然界超疏水表面,有些学者还对复制模塑技术进行了一些改良,下面分别介绍这3 类方法的研究成果。

3.1直接复制模塑法

❖直接复制模塑法在2 次图形转移过程中都使用预聚物,预聚物材料可相同也可不同。

❖Sun 等以荷叶为母板,通过复制模塑法得到超疏水的PDMS 表面:首先将PDMS 预聚物浇铸在荷叶表面,室温固化24h 后剥离得到负型结构的PDMS 软模板,然后将另一PDMS 预聚物浇铸在软模板上,80 ℃固化25min 后剥离得到仿荷叶PDMS 结构表面,水滴与仿荷叶结构的PDMS 接触角为160°,滚动角仅为2°。

❖刘斌等将复制模塑法与紫外光固化技术结合来制备超疏水表面,把从荷叶表面复制得到的PDMS 软模板压置在紫外光固化预聚物上进行紫外曝光,固化后可得到仿荷叶结构的聚合物薄膜。该膜表面与水的接触角可达到157°,具有较好的超疏水性能,而水滴在紫外光固化的光滑表面的接触角仅为105°。