仿生超疏水性表面的研究进展
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仿生超疏水PVDF膜材的研究与制备随着科技的不断进步和人们对新材料的需求不断增加,仿生超疏水PVDF膜材作为一种具有巨大应用潜力的新型材料备受研究者的关注。
PVDF是一种性能优异的聚合物材料,具有良好的耐热性、耐化学性、机械强度和耐老化性能,因此被广泛应用于燃料电池、锂电池、膜分离等领域。
而PVDF薄膜的超疏水性质能够将液体快速排除,被广泛应用于油水分离、防水雨衣等领域。
为了制备具有良好超疏水性能的PVDF膜材,许多研究者通过仿生学方法,模仿自然界一些生物体表面的超疏水结构,在PVDF膜表面构建微纳米结构,以增强其超疏水性能。
例如,利用莲叶表面微结构的表面特性,合成出具有类似结构的PVDF超疏水膜。
通过将PVDF薄膜表面进行化学修饰或物理处理,可以大大提高其超疏水性能。
一种常见的方法是在PVDF膜表面通过溶液浸渍法或溶剂挥发法制备纳米粒子膜,使PVDF材料表面形成微纳米级的结构,从而提高其超疏水性能。
此外,还可以利用化学气相沉积(CVD)技术在PVDF膜表面成核生长疏水膜,从而实现超疏水效应。
通过控制反应条件和实验参数,可以获得不同形貌和结构的PVDF超疏水膜。
同时,还可以通过表面改性、涂覆复合材料等方法进一步提高PVDF超疏水膜的性能。
除了制备方法外,材料的选择也对PVDF超疏水膜的性能有着重要影响。
例如,掺杂纳米级SiO2颗粒、石墨烯等材料可以增加PVDF超疏水膜的疏水性能;掺杂TiO2颗粒可以提高PVDF膜的光催化性能,实现自清洁效果。
此外,还可以将不同材料的复合应用于PVDF超疏水膜的制备中,以提高其性能。
总之,仿生超疏水PVDF膜材的研究与制备是一个具有挑战性且具有广泛应用前景的研究领域。
通过不断改进制备工艺、优化材料配方和增强材料性能,相信PVDF超疏水膜将在环境保护、能源领域、医疗器械等方面发挥重要作用,为社会发展和生活带来更多便利和可能。
仿生超疏水表面的制备技术及其进展摘要:仿生超疏水表面具有防水、自清洁等优良特性。
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面、超疏水的暗翼表面等。
影响材料表面润湿性的主要因素有材料表面能、表面粗糙度和表面微一纳结构。
超疏水表面的自清洁功能源自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面:控制材料表面能和修饰微细结构表面。
关键词:润湿性;仿生;超疏水;接触角超疏水(Super—hydrophobic)是指表面上水的表观接触角超过150。
的一种特殊表面现象。
近年来,超疏水表面引起了人们极大的关注,它在自清洁材料、微流体装置以及生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中的荷叶表面,水滴在叶面上可以自由滚动.能够将附着在叶面上的灰尘等污染物带走。
从而使表面保持清洁。
1 基本原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。
对于光滑平整的理想固体表面,水滴在其表面上的形状是由固体、液体和气体三相接触线的界面张力来决定的,水滴接触角的大小可以用经典杨氏方程来表示:cos :Lv 其中,、Ts 、分别是固一气、固一液和液一气界面的表面张力。
对于粗糙表面.Wenzel方程[21认为水滴粗糙表面完全浸润,其液滴接触角为:cosO~=FcosO式中,r为表面粗糙度,即实际表面积与面投影面积之比值。
根据Wenzel方程,对于疏水表面,增加表面粗糙度,液滴的接触角增大。
Wenzel方程揭示了粗糙表面的表观接触角与本征接触角间的关系。
当固体表面由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面:水滴与固体界面以及由于毛细现象水滴无法进入微孔而形成空气垫从而形成的滴与空气垫界面,并认为水滴与空气垫的接触角为180。
超疏水材料的研究进展2015年5月3日超疏水材料的研究进展摘要:超疏水性材料因为它独特的性质,而在很多方面得到了广泛的应用。
近年来,许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。
通过研究这些表面微观结构,人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面,从而更好地满足工业中实际应用的需要。
该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象,重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。
最后,对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。
关键词:超疏水、仿生、润湿、功能化表面自然界中,经亿万年的自然选择,许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能,比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。
一直以来,这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们,尤其是近几十年,仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能,在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。
因此,对超疏水材料进行总结和展望,对这种材料的发展有重要的意义。
1超疏水原理超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解,即指难以湿润的表面,固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一,不仅受到固体表面粗糙度的影响,还受固体表面化学成分的影响,我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。
接触角越大,表面的疏水效果越好,反之亦然[2]。
当θ=0°时,所表现为完全湿润;当θ<90°时,表面为可湿润,也叫做亲液表面;当θ>90°时,表面则为不湿润的疏离表面;当θ=180°时,则为完全不湿润。
一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。
接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标,但并不是唯一指标,在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。
前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。
但是如果不断增加或减小固体表面上液滴的体积,不管是粗糙的固体表面还是光滑的固体表面,液滴都无法立即达到平衡状态,这种现象称为接触角的粘滞性。
仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究共3篇仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究1仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究随着现代科技的不断进步,仿生学作为一种新兴的研究方向,受到了越来越多的关注。
仿生学是通过对生物体的形态、功能、行为等特征进行研究,来设计新材料、新装置或新系统的一门学科。
仿生学不仅能够解决科学技术方面的问题,还能为环境保护、工业生产等多个领域提供技术支持。
其中,仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究是当前研究的热点之一。
超疏水材料具有抗粘附、自清洁和抗腐蚀等优异的性能,对于液体的微纳级传输和分离具有重要应用价值。
如何设计制备具有超疏水性能的表面材料,一直是材料科学领域的难题。
仿生学为这个难题的解决提供了思路。
仿生超疏水功能表面是通过生物表面的微观结构和化学组成,来制备超疏水材料的表面。
例如,以荷叶表面为模板,制备出仿生超疏水表面就是目前的研究热点。
制备仿生超疏水功能表面主要分为两步,即基础表面处理与微观结构化制备。
其中,基础表面处理主要是对基础表面材料进行改性,以便于制备出具有微观结构的超疏水表面。
微观结构化制备则是通过对表面的化学和物理过程进行控制,来制备出具有各种不同形貌和大小的微观结构,从而实现超疏水的性能。
制备出仿生超疏水功能表面后,需要对其性能进行表征和应用研究。
其中,表征方法主要包括接触角测试、接触角滞后测试、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等。
应用研究方面,仿生超疏水功能表面已经应用于防水、防腐、油水分离、普通自清洁等多个领域。
虽然仿生超疏水功能表面的研究有了重要进展,但在复杂环境中应用时仍面临着挑战和不足。
例如,在高湿度环境下,仿生超疏水表面易出现气体泡沫覆盖导致超疏水性能下降。
此外,仿生超疏水表面的制备成本较高,难以大规模应用。
因此,未来的研究需要解决这些问题,以便更好地推广和应用仿生超疏水功能表面。
综上所述,仿生超疏水表面是一种新型的材料表面,具有重要应用价值。
1 引 言植物叶表面的自清洁效果引起了人们的兴趣,这种自清洁性质以荷叶为代表,因此称为“荷叶效应”。
德国生物学家Barthlott[1]在1997年通过对近300种植物叶的结构进行研究,认为这种自清洁的特征是由粗糙的表面和表面存在的疏水的蜡状物质共同引起的。
中科院研究小组[2]研究发现,在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构,这种微米-纳米相复合的阶层结构是引起超疏水表面的根本原因;并通过试验证明[3],单纯的微米或纳米结构虽然可以使表面产生超疏水性,但水滴在表面上不易滚动。
通过大量的研究发现,固体表面浸润性由以下2个因素共同决定:①表面化学组成;②表面粗糙度。
超疏水表面可以通过2种方法制得:①利用低表面能材料来构建粗糙结构;②在粗糙表面上修饰低表面能物质。
荷叶表面微观结构能够自清洁的这一发现为人工构筑超疏水表面提供了灵感。
2 超疏水表面制备技术随着人们对超疏水表面的深入研究,许多制备方法不断涌现,目前,已经有多种方法可以人工制备超疏水表面,比如以天然动植物超疏水表面作为模板,用聚合物在其表面固化或用光刻印的方法将模板的表面形貌信息转移到复制物的表;用化学沉积(气相沉积、电化学沉积或逐层沉积)的方法在基材表面形成超疏水薄膜表面;或采用静电纺丝的方法形成纤维状微纳米尺度粗糙表面等等。
2.1 等离子体处理技术利用等离子体对普通材料或含氟的低表面能物质进行表面粗糙化处理来制备超疏水表面的方法称为等离子体法。
Lacroix等[4]通过简单的等离子体聚合与等离子体刻蚀技术在硅基底上制得了粗糙的结构,经过进一步氟化物修饰表面后,表面呈现出超疏水的特性,水滴与表面的接触角接近180°。
Khorasani等[5]在室温环境下利用CO2脉冲激光处理聚二甲基硅氧烷,使其表面产生多孔结构,测得其表面与水的接触角高达175°。
这种技术处理表面是获得粗糙结构的有效方法,其优点是选择性高、快速等,但是存在的局限是成本高并且不利于大面积超疏水表面的制备。
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。
镁合金仿生超疏水涂层的构建及耐腐蚀性研究一、本文概述镁合金作为一种轻质、高强度的金属材料,在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域具有广泛的应用前景。
然而,镁合金的耐腐蚀性较差,容易在潮湿或腐蚀性环境中发生电化学腐蚀,这限制了其在实际应用中的使用寿命。
为了改善镁合金的耐腐蚀性,研究者们提出了多种表面处理技术,其中仿生超疏水涂层技术因其独特的防水和自清洁性能受到了广泛关注。
本文旨在探讨镁合金仿生超疏水涂层的构建方法及其耐腐蚀性研究。
我们将介绍仿生超疏水涂层的基本原理及其在金属防腐领域的应用背景。
然后,详细阐述构建镁合金仿生超疏水涂层的具体步骤,包括涂层材料的选择、制备工艺的优化以及涂层结构的表征。
接着,通过一系列实验手段,如接触角测量、电化学腐蚀测试等,评估仿生超疏水涂层对镁合金耐腐蚀性能的提升效果。
结合实验结果,讨论仿生超疏水涂层在镁合金防腐领域的应用前景及潜在改进方向。
通过本文的研究,我们期望为镁合金的耐腐蚀性提升提供一种新的有效途径,同时推动仿生超疏水涂层技术在金属防腐领域的应用发展。
二、镁合金仿生超疏水涂层的构建在构建镁合金仿生超疏水涂层的过程中,我们采取了一种多步骤的方法,旨在模仿自然界中生物表面的微观结构和润湿性,从而赋予镁合金表面优异的超疏水性能。
我们对镁合金表面进行了预处理,包括清洗、打磨和超声波清洗等步骤,以确保表面的清洁度和粗糙度,为后续的涂层构建打下良好的基础。
接下来,我们采用了一种特殊的涂层材料,该材料具有良好的附着力和耐腐蚀性。
通过喷涂或浸涂的方式,将涂层材料均匀涂覆在镁合金表面,形成一层均匀的涂层。
为了增强涂层的超疏水性能,我们在涂层表面构建了微纳米结构。
这些结构通过模仿自然界中荷叶等生物表面的微观结构,使得涂层表面具有极低的表面能和高度的粗糙度。
我们通过化学刻蚀、溶胶-凝胶法或模板法等方法,在涂层表面形成了微纳米级的凸起和凹槽,从而实现了超疏水性能。
我们对构建好的涂层进行了表征和性能测试。
仿生超疏水材料的研究进展及应用2400字摘要: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。
仿生超疏水表面研究进展Research Advanced of BioinspiredSuperhydrop hobic Surface钱斯文,吴文健,王建方,刘长利,吴晓森(国防科技大学航天与材料工程学院,长沙410073)Q IAN Si2wen,WU Wen2jian,WAN G Jian2fang,L IU Chang2li,WU Xiao2sen(College of Aerospace&Material Engineering,National University of Defense Technology,Changsha410073,China)摘要:对植物叶表面的研究结果表明:微米与纳米相结合的结构可以产生较大的接触角和较小的滚动角。
表面化学组成与粗糙结构相结合成为仿生超疏水表面的重要特点。
本文在总结近年来仿生超疏水表面的最新研究成果的基础上,着重分析和讨论了仿生超疏水表面的物理机制、制备方法、超亲水与超疏水的转换,并探讨了这一领域的发展方向。
关键词:超疏水;表面;粗糙结构中图分类号:O614 文献标识码:A 文章编号:100124381(2006)Suppl20482203Abstract:Recent st udies on plant leaves reveal t hat a superhydrop hobic surface wit h bot h larger con2 tact angle and smaller roll angle needs t he incooperatio n of micro2and nano2st ruct ures.The coopera2 tion between t he surface chemical compositions and t he rough st ruct ure is crucial to const ruct superhy2 drop hobic surface.The p hysical basis of t he superhydrop hobicity,artificial synt hesis of t he superhy2 drop hobic surface and t he responsive switching between superhydrop hilicity and superhydrop hobicity were reviewed,and t he develop mental direction in f ut ure were also discussed.K ey w ords:superhydrop hobic;surface;rough st ruct ure 表面性质是固体材料最重要的理化性质之一,许多物理化学过程,如吸附、催化、粘合、摩擦等都与物质的表面性能密切相关。
收稿日期:2019-10-10;修回日期:2019-11-05基金项目:2019年河南省科技攻关项目“无收缩易剥脱紫外纳米压印胶的制备”(192102210176);周口师范学院大学生科研创新基金“紫外纳米压印胶用材料的制备”(ZKNUD2019018)作者简介:祁元春(1983-),女,河南周口人,讲师,博士,主要从事材料合成研究.E-mail:qiyuanchun66@126.com第37卷第2期周口师范学院学报2020年3月Vol.37No.2Journal of Zhoukou Normal UniversityMar.2020仿生超疏水表面的制备及应用进展祁元春,徐 光,韩雪萍(周口师范学院化学化工学院,河南周口466001)摘 要:在自然界中有很多动植物都具备奇特的超疏水现象,有关仿生超疏水表面的研究引起了人们的极大关注.简述了超疏水表面的几种接触角模型,较为系统地总结了超疏水表面的制备方法,介绍了超疏水表面的应用领域并对仿生超疏水表面的未来发展方向进行了展望.关键词:仿生超疏水表面;超疏水现象;超疏水表面材料中图分类号:O631.5 文献标志码:A 文章编号:1671-9476(2020)02-0082-04DOI:10.13450/j.cnki.jzknu.2020.02.020 随着科学技术的发展,人们在学习和模仿自然界生物表面性能方面取得了显著进步,其中仿生超疏水表面的研究是近年来比较活跃的领域之一.1997年,德国植物学家Barthlott和Neinhuis首次通过对“荷叶效应”的描述证明了植物叶面微结构和疏水性蜡状物质共同作用的超疏水现象的存在[1],并解释了超疏水表面结构与自清洁性能的关系.除了荷叶表面,在自然界的动植物中,如蝴蝶翅膀[2]、蜻蜓翅膀和水黾腿等组织器官[3]也展现出良好的超疏水性能.所谓超疏水表面通常认为静态接触角大于150°之间,滚动接触角小于10°的表面[4].因此,研究超疏水性表面对深入认识自然界中动植物的超疏水表面结构和设计仿生超疏水材料具有重要的作用,同时在人们的日常生活和工业生产中有着极其广阔的应用前景.利用超疏水性表面的抗阻性、抗风雪、抗雾霭、自净功能、防水功能、抗污染、防粘连、防氧化、抗腐蚀[5]等特点,可将仿生超疏水材料应用于纺织业、建筑业、医学生物、交通运输和日用品等诸多领域.1 表面超疏水性原理很多超疏水表面材料的本征接触角并不大,但是由于其表面具有极其粗糙的微纳结构从而得到优良的超疏水性能,这说明材料表面粗糙度在超疏水行为中占据重要作用.因此,研究影响材料表面润湿性的因素要从表面自由能和表面微观结构两个角度来考虑.表面粗糙度参数“接触角”是固、液、气界面表面张力平衡的结果,在不同的表面上采用的模型不一样[6].(a)Young's模型(b)Wenzel模型(c)Cassie模型图1 不同表面上的接触角模型平坦光滑的表面物质可以用Young方程进行描述:cosθY=γSV-γSLγLV.对于粗糙表面来说,目前比较成熟的是Wenzel和Cassie理论.Wenzel理论认为液滴可以渗透并充满固体粗糙表面的凹槽中,据此可以得出Wenzel方程为:cosθW=r(γSV-γSL)γLV=rcosθ,其中r为粗糙因子,为粗糙表面的实际面积与投影面积之比.Cassie进一步拓展了Wenzel理论,认为每一个槽都含有大量的空气,液滴无法使空气排出并完全浸润凹槽.因此,得到Cassie方程为cosθCB=fscosθ-(1-fs)=fscosθ+fs-1,其中fs是液滴与粗糙表面接触的面积百分数,1-fs是液滴与空气接触的面积百分数.当材料表面受到物理挤压或者外加电场作用时,会发生Cassie状态和Wenzel状态的相互转化,虽然两种状态下的静态接触角差别不大,但Wenzel状态下的动态接触角或者说迟滞角比Cas-sie状态大很多.机械挤压会极大地影响超疏水表面的自清洁效果,要尽量避免此类情况发生.2 仿生超疏水表面的制备方法随着国内外科学研究人员对超疏水性表面领域不断地深入研究,近几十年来已经发展出多种制备方法.仿生超疏水表面通常可以通过制备粗糙表面或材料结构中添加低表面能物质(如氟化物)的方式进行构建.仿生超疏水性表面的常见制备方法如下所述.2.1 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种“湿化学”合成法,在一定的条件下,将高化学活性的前驱体经过水解-缩合形成溶胶,然后进行干燥热处理后得到网络结构凝胶,材料表面具有较好的超疏水性能.此方法多应用于制备超疏水玻璃涂层和功能陶瓷材料.Ven-kateswara等[7]采用溶胶-凝胶法制备了二氧化硅气凝胶,其接触角高达173°.Han等[8]在25℃条件下,通过溶胶-凝胶法制备了具有良好超疏水性能的超分子有机硅烷薄膜.Shang等[9]用偶联剂修饰化合物制备出具有超疏水性的纤维织物,增强了棉织物的疏水耐用性.溶胶-凝胶法制备超疏水表面材料具有原料黏度低、体系均匀和步骤简单等诸多优点.当然,此方法也存在一些缺点:实验耗时长,而且在热干燥过程中有挥发物,体系会产生收缩等问题.2.2 相分离技术相分离技术是指在利用聚合物溶液中溶质和溶质、溶质和溶剂之间相互作用力的不同,使聚合物凝聚,制备特殊的微观聚集态结构,从而得到超疏水表面的一类方法[10].从具体的合成手段来分,相分离法技术包含聚合相分离法、凝聚法、基底诱导生长法.Wei等[11]采用本体聚合法合成了苯乙烯和2,2,3,4,4-六氟甲基丙烯酸丁酯共聚物,并采用相分离技术制备了超疏水共聚物薄膜.将共聚物溶解在四氢呋喃中,然后在溶液中加入乙醇,进行诱导相分离.制备的薄膜表面形貌与荷叶相似,接触角和滑动角分别为154.3°和5.8°.Hou等[12]利用嵌段共聚物表面的温度响应润湿性来控制水滴的定向扩散,实验发现在嵌段共聚物表面施加温度梯度,可以逐渐改变纳米结构的拓扑形状和化学成分,形成润湿性梯度力,进而克服液滴的高滞后现象.相分离技术制备方法简单,为材料提供了新的结构和性能,可应用于生物、医药、纺织、油墨、黏合剂和化妆品等领域.2.3 模板法模板法是以模板为主题构型去控制、影响和修饰材料的形貌,控制尺寸进而决定材料性能的一种合成方法.模板法的突出优点是操作简单、结构尺寸可控、重复性好,可以高效地制备仿生超疏水纳微结构.Peng等[13]以芋头叶为模板,制备了含有微腔的超疏水表面,并在微腔表面修饰了一层聚十八烷基硅氧烷纳米层,超疏水性能良好.Jiang等[14]利用氧化铝模板制备出聚丙烯腈纳米管簇,其接触角高达173.8°.张诗妍等[15]采用聚乙烯醇为模板法复制霸王鞭和麒麟掌叶片结构,制备出具有超疏水性的聚苯乙烯薄膜.2.4 沉积法(1)化学气相沉积法Jiang等[16]通过化学气相沉积的方法,在硅表面沉积氨丙基三甲氧基硅烷,再用脂肪酸长链对表面进行修饰得到的超疏水性表面静态接触角为159°.Hozumi等[17]将1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷化学气相沉积在氧化铝和二氧化钛表面上,使其由亲水表面变为超疏水表面.Lee等[18]通过热化学气相沉积法将垂直排列的多壁碳纳米管沉积在以不锈钢为基底的氧化铝薄膜上,得到了具有良好超疏水性和超亲油性的表面.(2)电化学沉积法电化学沉积是在电解质溶液中将金属或金属化合物通过电极反应沉积到材料表面,可以用来制备超疏水表面.He等[19]通过电化学沉积法在镀金硅基片上制备了一种新型的硫化锌层状结构,该结构由具有纳米片分支的纳米棒阵列和生长在其上壁的纳米线组成,其静态接触角和滚动接触角分别为153.8°和9.1°.Ding等[20]通过控制通电时间和添加剂的用量,采用电化学沉积法制备了珊瑚状形貌的纳米氧化亚铜薄膜,其表面接触角高达175°.38第37卷第2期祁元春,等:仿生超疏水表面的制备及应用进展 Lau等[21]通过电化学沉积法用聚四氟乙烯修饰垂直排列的碳纳米管簇,得到稳定的超疏水表面.2.5 电纺法电纺法多用来制备仿生超疏水纳米纤维材料.该方法的优点是实验设备简单、操作简单、效率高,制备出来的材料可用于纳米纤维传输药物、化学与生化传感器等领域.Kang等[22]以N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂溶解聚苯乙烯进行电纺制备的纤维薄膜接触角为154.2°.Jiang等[23]通过电纺法以聚苯乙烯为原料,研究出具有多孔微球和纳米纤维复合结构的一种超疏水薄膜,接触角160.4°.2.6 其他方法除了上述几种方法之外,还可以采用机械拉伸法、层层自组装法、等离子刻蚀法等来制备仿生超疏水性表面.3 超疏水表面的应用科学研究者通过不断探究原理和改进制备方法,得到了各种优异的仿生超疏水表面.超疏水性表面除了它本身具有的自清洁性能外,还表现出抗雾、防水、抗雪、抗黏附、抗腐蚀、抗污染等性能.因此生产生活各个领域都有着广泛的应用前景.(1)采用超疏水纺织材料制作的服装具有抗雨、抗雪、自清洁等功能,人们在日常生活工作中穿上这种服装可以在恶劣的天气,例如雨雪天,自如行走,即使在周围环境比较脏的环境中,也能保持整洁.(2)超疏水表面在建筑领域可用于房屋外天线的抗积雪,高层楼门窗的清洁工作,天然气传输效率的提高等.(3)超疏水表面材料在交通运输领域可用于车船表面的抗污抗腐、防雪防水.(4)超疏水表面材料在生物医学领域可用于消除价格昂贵的药物注射针的黏附,防止二次污染,还可以用于药物控释、细胞行为的控制等领域.除此,超疏水表面材料还可用于石油管道内的防止堵塞问题.4 结束语仿生超疏水表面因其自清洁和防污等特性,在日常生活、生物医药、工业发展等诸多领域有着广阔的应用前景.同时,它也为流体减阻理论提供了新的研究方向.近几十年来,科研工作者在仿生超疏水表面的构建和超疏水性能的提高方面做了大量工作.但是,现有的超疏水表面制备主要依赖于昂贵精密的实验设备和复杂的化学物质,因此,今后的研究工作还需要从以下几个方面努力:(1)寻找低成本的材料体系,尤其是引入生物相容性好的材料;(2)优化制备工艺,简化操作过程;(3)选择绿色环保、节能降耗体系;(4)设计适合大规模工业化生产的制备方法,使其从实验室阶段延伸到现实生活.仿生超疏水表面未来的研究发展方向是设计出优化的表面微纳结构,并通过简易低价方法制备出来.另外,仿生超疏水材料表面纳微结构的自身不稳定性提供了一个新的研究方向,即制备具有可再生或损伤可修复的仿生超疏水表面材料.参考文献:[1]Lee W,Jin M K,Yoo W C,et al.Nanostructuring of apolymeric substrate with well-defined nanometer-scale topography and tailored surface wettability[J].Langmuir,2004,20(18):7665-7669.[2]Binetti V R,Schiffman J D,Leaffer O D,et 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introduced,and the future development direction of bionic superhydropho-bic surface is prospected.Key words:biomimetic superhydrophobic surface;superhydrophobic phenomenon;superhydrophobic surface materials(责任编辑 闫建军)58第37卷第2期祁元春,等:仿生超疏水表面的制备及应用进展。
超疏水表面仿生原型制备技术研究分析超疏水表面是一种具备高度水接触角的表面特性,使其具有出色的自洁性能和防污染能力。
仿生学是研究生物体结构与功能并将其应用于工程领域的学科,仿生原型制备技术是将生物体的结构解析并应用于材料制备的一种方法。
本文将研究分析超疏水表面仿生原型制备技术。
超疏水表面的仿生研究主要从两个方面展开,一是借鉴生物体表面形态特征,二是学习生物体表面的化学成分和表面处理方法。
生物体中常见的具有超疏水表面特性的包括:莲叶、荷叶、鸟羽毛、昆虫翅膀等。
这些生物体表面存在微观凹凸结构和特殊的化学成分,在水滴接触其表面时,水滴不能充分与表面接触,形成高接触角。
超疏水表面的仿生原型制备技术主要有两种方法:一是通过激光刻蚀等方法直接在表面上制造微观凹凸结构,二是在表面上涂覆一层特殊的化学成分,使其具备超疏水性。
第一种方法主要是借鉴自然界中的生物体表面结构,经过多次优化和改进,可以得到具备超疏水性的表面。
第二种方法主要是在材料表面涂覆特殊的化学成分,如疏水涂层、纳米材料等,使其具备超疏水性。
在制备超疏水表面的仿生原型技术中,材料的选择是非常重要的。
在仿生学研究中,常用的材料有聚合物材料、金属材料等。
聚合物材料具有良好的可塑性和表面适应性,可以通过调整材料性质来实现超疏水性能;而金属材料具有较好的耐腐蚀性和机械强度,可以制备出稳定的超疏水表面。
超疏水表面的仿生原型制备技术在许多领域具有广泛的应用前景。
在建筑材料方面,超疏水表面可以提高建筑物的自洁性能和耐候性;在涂层材料方面,超疏水表面可以提供涂层的防水、防污染和抗腐蚀能力;在环境保护方面,超疏水表面可以应用于油污水处理、污染物分离等领域;在生物医学方面,超疏水表面可以应用于人工器官、植入物等领域,提高材料的生物相容性和耐久性。
超疏水表面仿生原型制备技术研究分析超疏水表面是指表面具有很强的疏水能力,水滴在其表面呈现出高度滚动的状态,甚至可以在其表面几乎不留痕迹地滚落。
疏水表面可应用于很多领域,如防水、防腐、防污、润滑等。
为了制备具有超疏水表面的材料,人们通过仿生原型制备技术进行研究分析。
仿生原型制备技术是通过模仿自然界中存在的一些生物体或结构,来设计和制造新材料或产品的技术方法。
在超疏水表面的仿生制备中,主要研究和分析的对象是莲叶和荷叶等植物表面的超疏水性能。
莲叶和荷叶是自然界中具有超疏水表面的植物,其表面覆盖着微小的纳米结构,这些结构是超疏水现象的关键所在。
人们通过仿生原型制备技术,研究莲叶和荷叶表面的纳米结构特征和形成机制,以期能够制备出具有类似表面结构的超疏水材料。
在仿生原型制备技术的研究中,人们首先通过扫描电子显微镜等技术手段,观察和分析莲叶和荷叶表面的纳米结构特征。
研究发现,莲叶表面由许多微小的柱状结构组成,而荷叶表面则由许多微小的凹槽结构组成。
这些结构使得莲叶和荷叶表面具有高度的粗糙度,形成了超疏水的特性。
接着,人们利用仿生原型制备技术制备出具有类似结构和性能的超疏水表面材料。
最常用的方法是通过拓扑结构复制的方法,在材料表面复制出类似于莲叶和荷叶表面的微小结构。
这可以通过模具、自组装等技术手段来实现。
制备出的超疏水材料具有很好的应用前景。
在防水和防污方面,超疏水材料可以应用于建筑涂料、纺织品等领域,有效地防止水和污物的渗透;在润滑方面,超疏水材料可以应用于机械设备的减摩润滑表面,降低能量损耗和磨损。
超疏水表面的仿生原型制备技术研究分析是一项具有重要意义和广泛应用的研究工作。
通过仿生原型制备技术,我们能够深入了解和分析自然界中超疏水表面的形成机制,制备出具有类似结构和性能的超疏水材料,为相关领域的应用提供技术支持。
仿生超疏水透明涂层的研究进展陈理;王艳芬;聂荣春;徐初阳;周欢欢【摘要】Biomimetic superhydrophobic transparent coating caught more attention recently because of its unique super hydrophobic property and high transmittance of the visible light.Super hydrophobic property and optical transparency of the surface had a great research value.The process of the constructing mechanism of biomimetic superhydrophobic transparent coating was introduced.In recent years , the preparation method and application of related fields were summarized.A simple analysis of the biomimetic superhydrophobic transparent coating problems and development direction was carried out.%仿生超疏水透明涂层不仅具有超疏水表面的独特性能,而且对光具有一定的透过性,在生产和生活中有着广泛的应用前景。
而如何在同一个固体表面同时引入超疏水特性和光学透明性将具有极大的研究价值。
介绍了仿生超疏水透明涂层的构建机理进展,总结了近年来相关领域的制备方法和应用情况,并简单分析了存在问题和发展方向。
【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2014(000)017【总页数】3页(P24-26)【关键词】超疏水;透明涂层;粗糙度;接触角【作者】陈理;王艳芬;聂荣春;徐初阳;周欢欢【作者单位】安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南 232001【正文语种】中文【中图分类】TQ423.4近年来,类荷叶表面仿生超疏水涂层由于其独特的自清洁性能可广泛应用于防雪、防污染、防腐蚀及降低摩擦系数等生活生产领域,已成为化学模拟生物体系中一个新的研究热点[1-3]。
仿生超疏水表面的制备及研究的开题报告一、研究背景超疏水表面具有很广泛的应用前景,如自清洁、防污染、防冰、防腐蚀等方面。
而仿生超疏水表面是通过模仿自然界中“莲花效应”来实现的,其表面具有微纳结构和化学特性相结合的特殊性质。
因此,仿生超疏水表面的制备及研究已经成为了一个热点研究领域。
二、研究目的本研究的主要目的是通过仿生的方法制备超疏水表面,并研究其表面性质。
具体研究内容包括:1. 采用自组装技术制备仿生超疏水表面的微纳结构。
2. 研究仿生超疏水表面的表面形貌、接触角等物理特性。
3. 探索不同化学物质对仿生超疏水表面的影响,并分析其作用机制。
三、研究方法本研究采用以下方法实现研究目的:1. 材料准备:采用二氧化硅纳米颗粒、氯化钠、乙醇、硝酸银等化学物质。
2. 制备仿生微纳结构:通过自组装技术实现仿生微纳结构的制备。
3. 检测表面性质:利用接触角测试仪检测仿生超疏水表面接触角等性质。
4. 分析化学作用机理:通过实验观察、数据分析等方法探索不同化学物质对仿生超疏水表面的影响。
四、预期成果本研究的预期成果包括:1. 成功制备仿生超疏水表面,并研究其表面性质。
2. 探索不同化学物质对仿生超疏水表面的影响,并分析其作用机制。
3. 提高对仿生超疏水表面的理解,为其在自清洁、防污染等领域的应用提供基础支持。
五、研究意义本研究的主要意义在于:1. 探索仿生超疏水表面的制备方法,为仿生技术研究提供基础支撑。
2. 分析不同化学物质对仿生超疏水表面的影响机制,为其应用提供指导性意见。
3. 推动仿生超疏水表面在自清洁、防污染等方面的应用,为环境保护和产业发展做出贡献。