仿生超疏水材料的研究进展及应用

摘 要:在仿生研究领域,许多奇特的微/纳生物表面现象给予人们大量的启示。比如荷叶效应、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁,引发了人们对超疏水材料的研究兴趣。本文综述了仿生超疏水表面的润湿性原理、主要制备方法和应用。 毕业论文网 关键
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  摘 要:在仿生研究领域,许多奇特的微/纳生物表面现象给予人们大量的启示。比如荷叶效应、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁,引发了人们对超疏水材料的研究兴趣。本文综述了仿生超疏水表面的润湿性原理、主要制备方法和应用。
毕业论文
  关键词:仿生超疏水;润湿性;制备方法;应用
  在时间的长河中,大自然不断地孕育生命,每一个生命体都具有其独特的艺术性、科学性。人类在不断适应自然、认识自然的同时,逐渐开始研究自然。仿生研究是人们学习自然,提高现有技术的有效手段。在仿生研究领域,许多奇特的微纳生物表面现象给予了人们大量的启示与想象空间[1]。比如荷叶效应[2] 、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁[3],引发了人们对仿生超疏水材料的研究兴趣。
  1 润湿性原理
  固体表面的润湿性[4]对揭示表面亲、疏水性,强化表面疏水性能和制备疏水表面具有重要意义。描述润湿性的指标为与水的接触角,接触角小于9O°,为亲水表面,接触角大于90°,为疏水表面,接触角大于150°,则称为超疏水表面。
  Wenzel[5]假设液体始终填满固体表面上的凹槽结构,粗糙表面的表观接触角θ?与光滑平坦表面本征接触角θ存在以下关系:r(γs-g-γl-s)/γl-g=cosθ?=r cosθ,式中r是材料表面的粗糙度因子,为固液界面实际接触面积与表观接触面积之比。而Cassie[6]认为疏水表面上的液滴不能填满粗糙表面上的凹槽,凹槽中液滴下存留空气,从而表观上的固液接触实际上是固液、固气接触共同组成,提出cosθ?=fs(1+ cosθ)-1,式中:fs是复合接触面中凸起固体面积与表观接触面积之比,其值小于1。而Cassie和Baxter[7]从热力学角度得到适合任何复合表面接触的Cassie-Baxter方程cosθ?=f1cosθ1+ f2cosθ2,式中θ?是复合表面的表观接触角,f1、f2分别是两种介质在固体表面上所占面积的比例,θ1、θ2分别是2种介质界面间(固液、气液)的本征接触角。研究发现[8],固体表面随着微孔深度的增加,液体的浸润性增大,润湿性减小;随着孔间距的增大,液体的润湿深度先减小后增大。
  2 制备方法
  由材料表面润湿性原理可知,材料表面能和表面微纳米结构是影响材料表面疏水、亲水性能的主要因素。制备仿生超疏水表面主要从两方面入手,一方面是使用具有低表面能材料,另一方面是改变材料表面粗糙度和微纳米结构。
  2.1、自然界物质中表面能最低的两种材料是硅氧烷、含氟材料。典型的低表面能材料是有机硅和氟树脂以及其相应的改性树脂。
  2.2、从制备粗糙表面结构材料来说,目前主要有模板法、蒸汽诱导相分离法、溶胶一凝胶法、电纺法和电化学法、激光和等离子体处理法、喷涂法等,本文简述几种主要的制备方法:
  模板法[9]:目前最简单、经济、快速的制备表面微纳结构的方法。采用具有特定形状的物体作为模板,将图形转移到相应的衬底上,成型固化以后通过脱模得到母版的反型表面结构,多用于制备疏水有机薄膜,但易受模板限制,难以大面积制备超疏水表面。姚连珍[10]以荷叶效应为理论基础,探讨了基于模板法的防污自洁PVDF膜的制备,结果表明,由模板法制备的膜表面的粗糙度对静态接触角有很大的影响,合适的表面微突体直径能够增大接触角,PVDF膜的静态接触角可达152°。
  蒸汽诱导异相分离:利用聚合物溶液或共混聚合物的相分离过程可形成粗糙结构,用于制备具有特殊浸润性的表面,该方法简单易行且成本低廉。查道安[11]采用蒸汽诱导异相法制备出了PVDF多孔材料以及PVDF/石墨烯复合材料,进行亲疏水性测试,结果发现PVDF/石墨烯复合材料具有超疏水性能(水接触角 >150°),而未加入石墨烯的纯PVDF及PVDF-HFP多孔材料不具有超疏水性。
  溶胶一凝胶法:主要利用含高化学活性成分的化合物前驱体的水解与缩合形成溶胶,再经过陈化胶粒聚合形成凝胶,最后采用一定方法基体表面成膜并固化烧结,形成具有微纳结构的薄膜。该法多用于制备无机涂层,反应工艺简单,易操作,适用范围广。贺惠蓉[12]等通过溶胶凝胶法,采用提拉技术在金属表面构筑TiO2薄膜,TiO2薄膜表面随着温度的升高逐渐呈现粗糙的纳米结构,通过低表面能物质 FAS 修饰后,该表面呈现超疏水性。
  电纺法和电化学法:根据材料晶面电化学活性的各向异性,通过自身氧化、表面电化学沉积可以得到有序表面结构,主要应用于金属材料。王丽芳[13]采用静电纺丝技术构筑粗糙表面,再使用廉价的低表面能物质硅油在煅烧过程中进行同步修饰,制备出接触角大于150°,滚动角小于5°的TiO2超疏水表面。
  此外还有其它制备方法,如激光和等离子体处理法[14]- [15]、刻蚀法[16]、喷涂法[17]- [18] 、化学反应法[19]、溶剂/非溶剂法[20]等。
  3 应用与展望
  仿生超疏水表面由于其独特的超疏水、自清洁以及防腐性能,应用前景广阔。可以开发新的水面交通工具[21],如果技术成熟,制备出类似水黾腿部的超疏水结构,人们使用这种设备,可以轻而易举的在水面行走。表面防腐[22]方面,由于超疏水表面可以极大程度隔绝水分,减缓海水对建筑物的腐蚀速度,起到保护层的用途,同样原理可以减小海洋中舰船的腐蚀[23],增大海军装备的使用寿命。透明超疏水材料由于其特殊的光学性能,可以制成玻璃,用于摩天大楼,根据本身具有自洁、防污能力,避免高空作业擦洗玻璃。在生物医药领域[24]仿生超疏水同样具有广阔的应用前景。但是依据目前的技术水平,仿生超疏水材料制造成本高昂,稳定性不足,难以投入工业化生产。随着技术的发展,在不远的将来,仿生超疏水材料定会得到广泛的应用。
  参考文献
  [1]江雷,冯琳.仿生智能纳米界面材料[M].北京:化学工业出版社,2007:2―48.

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