仿生超疏水材料

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1、仿生超疏水表面的制备技术及其进展摘要：仿生超疏水表而具有防水、白清洁等优良特性。自然界中存在许多无污染、自清洁的动植物表面，如超疏水的荷叶表面、超疏水各向异性的水稻叶表血、超疏水的暗翼表面等。彩响材料表而润湿性的主要因索有材料表而能、表而粗糙度和表而微i纳结构。超疏水表而的口清洁功能源口于表面形貌与低表面能物质的共同作用，可以通过两类技术路线来制备超疏水表而：控制材料表而能和修饰微细结构表而。关键词：润湿性；仿牛；超疏水；接触角超疏水(Super一hydrophobic)是指表面上水的表观接触角超过150。的一种特殊表血现象_。近年来，超疏水

2、表面引起了人们极大的关注，它在自淸洁材料、微流体装置以及牛物材料等领域中有着广泛的应用前景［］。最典型的例子就是自然界屮的荷叶表面，水滴在叶面上可以自由滚动.能够将附着在叶血上的灰尘等污染物带走。从而使表血保持清洁。I基本隐理润湿性是材料表面的重要特征之一。描述润湿性的指标为与水的接触角0,接触角小于90。为亲水表面，接触角大于90。为疏水表血，接触角大于150。则称为超疏水表面。对于光滑平整的理想固体表面，水滴在其表面上的形状是山固体、液体和气体三相接触线的界面张力來决定的，水滴接触角的大小可以用经典杨氏方程來衣示：cos:Lv英中，、Ts

3、、分别是固一气、固一液和液一气界而的表而张力。对于粗糙表而.Wenzel方程［21认为水滴粗糙表而完全浸润，其液滴接触角为：cosO^FcosO式中，r为农而粗糙度，即实际表而积与而投影而积Z比值。根据Wenzel方程，对于疏水表而，增加表而粗糙度，液滴的接触角增大。Wenzel方程揭示了粗糙表血的表观接触角与本征接触角间的关系。当固体表血

4、+1不同种类化学物质促成时，Cassie^zJ进一步拓展了Wenzel的上述处理。他认为水滴在粗糙表面接触在两种界而：水滴与固体界而以及由于毛细现象水滴无法迹入微孔而形成空气热从而形成的滴与空气垫界面，并

5、认为水滴与空气垫的接触角为180。，因此，提出粗糙表面的水滴的接触角为:COS0r=f,cos01+ficos02式中，、分別为粗糙表面接触面屮液固界面的面分数与气固界而的而积分数，.=1。从上述模型可知。制备具有特殊结构的表而可以提高而的接触角。2天然的超疏水生物表面口然界中存在许多无污染、口清洁的动植物表仏如荷叶、水稻、芋头叶、蝴蝶、水电脚等表面。2.1超疏水的荷叶表面在对生物表而特殊浸润性的研究中，荷叶表而的超疏水和白清洁效应最早被人所熟知。水滴在荷叶表ifii接触角可达165。，倾斜2。，水滴即可在表面滚动，以防止由于水的覆盖而抑植物

6、的蒸腾作用与光合作用f415k荷叶表血的超疏水性能来自于两个原因：荷叶表曲的蜡物和表而的特殊结构，荷叶表而仿空超谎水表面的制备技术及其逬屣有序分布着平均直径为5〜9txm的乳突，并且每个乳突表面分布有直径为124nni的绒毛，见1(a),荷叶表面的特殊结构和低表面能的蜡质物使得荷叶表面具有超疏水功能与自清洁功能。2・2超疏水各向异性的水稻叶水稻叶是口然界中超疏水现象中较为特殊的［51：水稻叶表面水滴仅易于沿着平行叶脉方滚动。研究表明.乳突沿平行丁•叶边缘方向有序排列，而沿着垂直于叶边缘方向则无序分布见图i（b）,这种特殊结构使得水滴在沿叶脉方

7、向的滚动角f3—5。）比沿叶脉垂ri方向的滚动角小（9〜15。）。此外，蝉翼不仅透明轻薄，而且其表而有非常好的超疏水性和白清洁性，以使蝉保持其良好的飞行能力。在扫描电子显微镜下［61观察蝉翼的截面和表面时发现蝉翼度人约在8〜lOlxmC图1（c））,而且蝉翼的上下表而都是由规则排列的纳米柱状结构组成的白然界中的昆虫水电能漂浮在水曲，也是rti于水电腿部具有的特殊微观结构使其具有超疏水功能其与水接触角可达到167。，并且其腿部所受的表血张力足以承受水电本身重量的数十倍。（a）荷叶表面；（b）水稻叶表血；（a）蝉翼表曲图1儿种具有超疏水性能的生物

8、表面J超流水表面的制备方法触角人：J：130=o影响材料表而润湿性的主要因素有：材料表而能、表而粗糙度以及表微—•纳结构。其中低表而能材料是制备超疏水性的基本条件.表而粗糙度和表而微细结构是定性因索。研究表明，接触角随着表而能的降低而增大，随着表而粗糙度的增加而增人，而而微/纳结构对润湿性具有重要的影响。因此.超疏水表面的口清洁功能源口丁•表回形貌与低表面能物质的共同作川。可以通过两类技术路线來制备超疏水表面：控制材料表回能和修饰微细结构表面1.I瘵制村料表面能根据Dupre推导的公式，固体表而白由能越低，附着力越小，固体表而液体的接触角就越

9、大。硅氧烷、含氟材料是白然界物质中表而能最低的两种材料，含氟材料的表而能比硅烷低10/m左右。在共聚物中引入低表曲能结构单元（主要是含氟、含硅结构）能得到低表血能的