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超疏水材料研究进展
超疏水材料研究进展
摘要:
本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以与存在的问题等。
详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。
关键词:
超疏水材料;超疏水应用;制备
1引言
近年来,超疏水材料引起了人们的普遍关注。
所谓超疏水材料,就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。
超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的,荷叶外表的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应,污染物很容易被水滴带走[1]。
有关超疏水的根底理论研究始于上世纪50年代,因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景,研究工作备受各国重视。
固体外表的润湿性是由其化学组成和外表微观结构共同决定的。
目前,通过对荷叶外表自洁性的仿生研究说明,因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低外表能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。
人们通常用液体在材料外表的接触角来表征材料外表的润湿性。
按照水滴在材料外表接触角大小的不同,我们可以将材料进展如下分类当接触角小于90º时,我们认为这种材料是亲水材料;如果水滴在材料外表的接触角小于5º,那么这种材料是超亲水材料,例如经浓硫酸和双氧水〔体积比为7:
3〕处理过的硅片,水滴在它的上面会立刻铺展开,展示出超亲水的性质;当材料外表接触角大于90º时,我们认为这种材料是疏水材料;如果材料的外表接触角大于150º那么我们认为这种材料是超疏水材料,例如我们前面所提到的荷叶,水滴在其外表的接触角大于150º,不能稳定停留,极易滑落,因而造就了它“出淤泥而不染〞的性质。
如图1所示,〔a〕为亲水,〔b〕为疏水。
(a)(b)
图1接触角示意图
2超疏水材料的用途
2.1超疏水材料在流体减阻中的应用
超疏水外表的一个突出的性质是滑移效应的出现,这一点已被广泛认可[3]。
随着疏水外表滑移效应的发现,人们开场重视研究基于疏水外表滑移效应所产生的减阻新技术.Watanabe等[4]研究了壁覆盖氟烷烃改性的丙烯酸树脂条纹的超疏水圆管的减阻性能,实测的压强-速度剖面曲线说明,当雷诺数为500∼10000时,阻力下降达14%,对应的滑移长度达450µm。
Bechert等[5]受到鲨鱼表皮三维肋条结构的减阻性能的启发,从实验出发研究了具有类似结构的新型机翼外表的减阻性能,结果说明这种外表比光滑的机翼外表剪应力降低7.3%。
Koeltzsch等[6]研究了具有分叉型肋条结构的管道壁外表的减阻性能,以与不同肋条结构的影响效果,这为输油管道壁的减阻方法提供了新思路。
王家楣等[7]从船首底部喷气生成微气泡出发研究了不同雷诺数、不同微气泡浓度下的减阻试验,为微气泡减阻技术的应用提供了依据。
徐中等[8]采用标准κ-ε湍流模型对凹坑形外表在空气介质中不同条件下的流动进展了模拟,得到的最大减阻率到达7.2%.
2.2超疏水材料在抗腐蚀中的应用
通过超疏水膜技术在金属外表形成一层超疏水性的膜层,可以有效地增强金属外表阻抗、降低腐烛电流密度,使平衡腐烛电位向正方向移动,提高金属的防腐能力。
超疏水膜技术应用于金属防腐已有大量研究。
涛[9]在铜、锅与铁锅金属间化合物外表制备出超疏水薄膜,电化学测试拟合数据显示,超疏水外表对于铜、锅、铁招金属间化合物的缓烛效率可分别到达99%,97%和86%。
通等[10]在金属招外表制备了一层稳定的近似珊瑚状的超疏水膜,海水的接触角大于150°,YanshengYin等[11]在错样品外表制备了接触角为154°的超疏水外表。
电化学测试说明,超疏水膜显著地降低了腐蚀电流密度、腐烛速率和双电层电容。
2.3超疏水材料在建筑防污耐水等领域的应用[12]
建筑物外表的污染主要是由于空气中微小颗粒的粘附和雨!
雪等的覆盖污染"超疏水材料因其独特的疏水性,在建筑物外墙!
玻璃与金属框架等的防水!
防雪和耐沾污等方面均有广泛的应用前景,可大大降低建筑物的清洁与维护本钱,使得建筑物能长久保持亮丽的外观"目前,超疏水外表材料在建筑防污染方面的产品主要是涂层与防护液等,如中科赛纳技术采用纳米合成技术制备的纳米超疏水自清洁玻璃涂层"该涂层一般为无色透明!
无毒!
无污染结实度高且具有自清洁!
防结冰!
抗氧化等功能"德国STO公司同样根据荷叶效应原理开发了有机硅纳米乳胶漆"。
2.4超疏水材料在微流体控制方面的应用
超疏水材料外表所具有的不浸润性与低外表粘滞力,使其在微流体控制应用方面也有十分出色的表现。
比方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准确控制,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,比方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细度更高的液体传输设备。
3外表润湿性的转变
响应性材料使得人们能够通过外界刺激来改变材料的各种性质,在这里我们
主要介绍通过外界刺激来智能地控制外表润湿性行为。
外表湿润性的转变方法主要有电场诱导,应力作用,光响应,温度响应和pH值响应等。
Lahnn教授首次利用带有亲水性端基的长链烷烃在电场作用下的构型变化,
实现了电场诱导的浸润性的转变[12]。
M.Berggren教授也进展了由固体电解质与电化学活性的导电聚合物相结合构成的电润湿开关的研究[13]。
应化所的艳春教授研究小组[14]报道了三角形网结构的聚酰胺膜,通过对此膜双轴方向的拉伸和恢复,可以实现从超疏水到超亲水的可逆转变。
Fujishima教授领导的研究小组报道了在紫外光照射的条件下TiO2材料能够产生同时超亲水和超亲油的性质[15]。
利用电化学、水热合成等方法构筑外表粗糙的SnO2、ZnO、TiO2、WO3和V2O5等光敏材料,通过紫外光的照射,这些材料可以实现超亲水和超疏水之间的可逆转变。
江雷教授[16]将含有这种高分子的共聚物接枝到了粗糙的硅片外表,从而实现了由温度控制的超亲水超疏水的可逆转变。
而如果将聚异丙基丙烯酰胺的共聚物接枝在平整的硅片外表,那么它只能实现亲水和疏水之间的转化。
Whitesides研究小组[17]首先报道了平滑外表上pH值响应的润湿性行为,他们将极性有机官能团,如羧基和氨基等修饰于低密度的聚苯乙烯外表,并测量了这些外表含有机酸和碱性基团的接触角随pH值的变化。
4超疏水材料的制备
人们发现材料外表的超疏水性质是材料外表的化学组成与外表结构共同作用的结果。
化学所的江雷教授首次提出了“二元协同作用〞这一概念[18]。
根据这一概念,超疏水外表通常需要经由两步获得:
(1)在材料的外表构筑粗糙结构;
(2)在粗糙外表上接枝低外表能的试剂。
基于这两条根本原那么,许多方法被用来构建超疏水外表,其中最常用的制备手段有:
层层组装法、溶液浸泡法、电化学沉积法、模板法和气相沉积法等。
4.1层层组装法
大学俊奇教授的研究小组[19]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,接触角到达了157°,滚动角小于5°。
相反,对于单一粒径的二氧化硅微球而言,经同样方法处理后,所得到的膜层的接触角为147°,滚动角为30°。
4.2溶液浸泡法
Bell教授利用简单的置换反响,将铜片或锌片放入金或银的盐溶液中,由于在金属活动顺序表中,铜和锌要比金和银活泼,因此在铜片和锌片的外表上会生长出金或者银的纳米粒子,从而增加了材料外表的粗糙度,如图2所示[20],经过疏水试剂的处理后,外表接触角可以到到达180°。
图2
以上方法是通过两步来实现超疏水外表制备的:
第一,在材料外表构造粗糙结构;第二,在粗糙结构的外表接枝疏水试剂。
建年教授的研究团队最近报道了一种通过溶液浸泡法一步制备超疏水材料的方法,这种方法将外表粗糙处理和外表接枝通过一步来完成:
他们将外表光滑的铜片放在特定[Ag(NH3)2]OH溶液中,经过6个小时的浸泡后,在铜片外表出现了类似于玫瑰花花瓣的结构,测试其接触角到达了156°,如图3所示[21]。
图3
4.3电化学沉积法
电化学沉积法是制备超疏水薄膜的常用方法,它通过氧化复原反响,在工件外表沉积出微纳米结构。
通过调整反响时间、沉积电压等参数,对沉积外表形貌进展控制。
GiovanniZangari等[22]将Si基体处理为多孔硅片,再将Au离子沉积到多孔硅片基体上获得树枝状的Au簇,经过化学修饰后,得到了将近180°的超疏水外表;LiuHongtao等[23]在碳钢外表,利用双层纳米复合电刷镀方法制备出纳米-C/Ni和纳米-Cu/Ni复合双层镀层,经过低能物质修饰后,这种镀层外表的水接触角到达155.5°、滚动角为5°,并且这一超疏水外表具有优异的抗腐蚀特性;ChenZhi等[24]以乙醇溶液溶解的CoCl2为电解液在不锈钢外表利用电沉积法一步制备出接触角高达160°的超疏水外表。
4.4模板法
清华大学的王晓工教授,通过揭起软刻蚀的方法,制备了仿生的荷叶外表[25]。
首先,他将聚二甲基硅氧烷模板的预聚体压印在荷叶的外表,在适当条件时预聚体聚合后被揭起,就得到了与荷叶外表完全相反的反相PDMS结构。
接着再以这种反相结构为模板,在高分子epoxy-basedazopolymer(BP-AZ-CA)上面利用微接触印刷技术再次压印,得到与PDMS模板外表形貌刚好相反的高分子图案而这种图案与荷叶外表的形貌完全一致,如图4所示。
测试其外表接触角为156°。
比照而言,平整的BP-AZ-CA高分子模板外表接触角只有82°。
图4
4.5气相沉积法
江雷教授的研究小组报道了利用化学气相沉积(CVD)法在石英基底上制备了各种图案结构,如蜂房状、柱状和岛状的阵列碳纳米管膜,如图5所示[26]。
结果说明,水在这些膜外表的接触角都大于160°,滚动角都小于5°,纳米结构和微米结构在外表的阶层排列被认为是产生这种高接触角,低滚动角的主要原因。
图5
5制备超疏水外表材料存在的问题
在制备超疏水外表过程中,往往要构建微纳米级的双微观结构,正是由于微纳米级的粗糙结构再覆以低外表能物质使得具有优良的疏水性能。
但是在实际生活和工农业生产中其外表难免会受到摩擦、撞击和冲压等作用,导致粗糙结构遭到破坏,从而使疏水性能受损。
目前的制备方法大多都采用特殊的材料,或者特殊昂贵的设备,而且构建的操作过程繁琐。
所有的这些因素都增加了超疏水外表构建的生产本钱,也制约了大面积生产的可行性,很难适合工业生产的要求。
因此,寻求生产本钱低廉、操作步骤简单、设备易得的制备方法,是研究人员在未来要解决的几大首要问题。
6总结
本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以与存在的问题等。
详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。
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