生物质超疏水材料
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1、生物质疏水材料生物质疏水材料钟浩权钟浩权 黄权波黄权波 目录 应用应用3.2. 疏水材料综述疏水材料综述1. 展望展望4生物质疏水材料生物质疏水材料超疏水的概念表面的疏水性能通常用表面与水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。接触角通常是用接触角测定仪来获得。 静态接触角：静态接触角： 越越大大越好越好 滚动角：滚动角： 越越小小越好越好疏水性的表征量疏水性的表征量滚动角（SA）：滚动角是指液滴在倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表面与水平面所形成的临界角度。等于前进角和后退角之差。前进角：液固界面取代气固界面后形成的接触角叫做前进角；
2、后退角：气固界面取代液固界面后形成的接触角叫做后退角。 接触角和滚动角接触角和滚动角接触角的滞后性接触角的滞后性真实固体表面在一定程度上或者粗糙不平或者化学组成不均一,这就使得实际物体表面上的接触角并非如Young 方程所预示的取值唯一。而是在相对稳定的两个角度之间变化,这种现象被称为接触角滞后现象,上限为前进接触角a ,下限为后退接触角r ,二者差 =a r 定义为接触角滞后性。 不同表面水滴接触界面状态自然界的启示自然界的启示 自然界不会活性聚合，自然界不会活性聚合，也不会乳液聚合，却可以也不会乳液聚合，却可以有着比任何人工合成材料有着比任何人工合成材料更好的疏水性能更好的疏水性能所谓所谓
3、“超疏水超疏水”的生命现象的生命现象。蝉翼表面的超疏水结构 蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成纳米柱的直径大约在80 nm，纳米柱的间距大约在180 nm规则排列纳米突起所构建的粗糙度使其表面稳定吸附了一层空气膜，诱导了其超疏水的性质，从而确保了自清洁功能。 壁虎的层次结构的脚趾头。脚趾是由成千上万的丝绸和每一个丝绸包含的几百个细微的铲子结构。(a,b)扫描电子显微图和(c)特征的铲子。壁虎脚趾的微观结构壁虎脚趾的微观结构 超疏水的荷叶和表面结构（a)球形的水滴滴在荷叶表面（b)荷叶表面大面积的微结构（c)荷叶表面单个乳突（d）荷叶表面的纳米结构超疏水的荷叶表面超疏水的荷叶表面 通过实验测试
4、，水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分别为161.02.7和2。这使得荷叶具有了很好的自清洁能力。 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。荷叶表面双微观结构模型荷叶表面双微观结构模型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,通常以接触角表征液体对固体的浸润程度。Cassie 方程Wenzel 方程Young方程 对于光滑、平整、均匀的固体表面, T
5、homas 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: coscos= =( (SVSV SLSL)/)/ LVLV 式中: LV、 SV 、SL分别表示液-气、固-气、固-液界面的表面张力。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cos*=r=Wenzel
6、Wenzel 模型示意图模型示意图Wenzel模型：粗糙表面的存在，使得实际上固液相的接触面要大于表观几何上观察到的面积，从而对亲(疏)水性产生了增强的作用。表观表面面积实际表面面积LVSLSV ) -r(=r COS 1coscos = f= fcoscos +(1-f)cos180+(1-f)cos180 = f = f（coscos +1+1）11f=f=aa/ / ( (a a+ +b b) )f f为水与固体接触的面积与水滴为水与固体接触的面积与水滴在固体表面接触的总面积在固体表面接触的总面积之比之比Cassie 模型示意图Cassie模型：气垫模型 (由空气和固体组成的固体界面)固
7、体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同决定：化学组成结构是内因：化学组成结构是内因： 低表面自由能物质如低表面自由能物质如含硅、含氟含硅、含氟可以得到疏水的效可以得到疏水的效果。研究表明，光滑固体表面接触角最大为果。研究表明，光滑固体表面接触角最大为1201200 0左右。左右。表面几何结构有重要影响：表面几何结构有重要影响： 具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高疏（亲）具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高疏（亲）水表面的疏（亲）水性能水表面的疏（亲）水性能超疏水表面的形成原因超疏水表面的形成原因一种是在粗一种是在粗糙表面修饰糙表面修饰低表面能物低表面能物质质。制备原理制备原理一种是将疏水一
