超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控(Ⅰ)

超疏水表面因其优异的自洁排水性能可望在高科技领域和日常生活等方面有美好的应用前景.目前通过对荷叶表面微纳结构仿生已达到在亲水材料上制备超疏水表面的准商业化水平.然而,超疏水表面现有制备方法一般都工艺复杂和费用高昂,同时其超疏水性与其他材料性能很难相容,限制了其实际应用.对此,特别需要深入理论研究,优化设计表面微纳结构.同时充分利用外界作用调控其润湿行为,实现其在某些高科技领域的率先应用.针对超疏水表面研究的这些关键问题,重点评述了当前超疏水表面理论研究特别是表面几何设计方面的最新进展,总结了目前国内外制备超疏水表面的流行技术方法,进而讨论了利用外界作用调控超疏水行为的可能性.     

超疏水表面材料的制备与应用

仿生超疏水表面材料具有特殊微纳米结构,因此表现出自清洁、防污染等一系列优异性能.在荷叶、水黾腿、蝴蝶翅膀等自然界中超疏水性组织和器官的启发下,仿生超疏水表面材料的设计和研发的目标不仅在于模仿生物的功能结构,更主要的是制备组分和结构均可调的超疏水表面,从而获得既有疏水自清洁性,同时强度、耐热、耐酸碱等性能又十分优异的新材料.该类材料在国防、工业、农业、医学和日常生活中均有广阔的应用前景.从超疏水材料纳米界面的结构出发,分析材料的疏水原理及其制备方法,介绍了近几年来该材料的研究进展以及在管道无损运输、房屋建筑和防水等应用领域的探索,展望了其未来的应用方向和前景.     

仿生超疏水表面的制备与应用研究进展

近年来,人们受到自然界产生的超疏水现象的影响和启发,通过仿制生物表面结构制备出各种超疏水材料。超疏水材料因其表面独特的性质,在工业与军事领域得到了广泛应用。介绍了仿生超疏水材料表面的4种制备方法——模板法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法和电沉积法,也涉及了其他制备方法,同时结合各种制备方法对仿生超疏水材料的最新研究成果进行了阐述。最后,总结了超疏水材料研究过程中存在的问题,并展望了其未来的发展方向。     

超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控(Ⅱ)

超疏水表面因其优异的自洁排水性能可望在高科技领域和日常生活等方面有美好的应用前景。目前通过对荷叶表面微纳结构仿生已达到在亲水材料上制备超疏水表面的准商业化水平。然而,超疏水表面现有制备方法一般都工艺复杂和费用高昂,同时其超疏水性与其他材料性能很难相容,限制了其实际应用。对此,特别需要深入理论研究,优化设计表面微纳结构,同时充分利用外界作用调控其润湿行为,实现其在某些高科技领域的率先应用。针对超疏水表面研究的这些关键问题,重点评述了当前超疏水表面理论研究特别是表面几何设计方面的最新进展,总结了目前国内外制备超疏水表面的流行技术方法,进而讨论了利用外界作用调控超疏水行为的可能性。     

表面形貌对润湿性及抗附着性能的影响

为研究表面形貌对表面润湿性和抗附着性能的影响,采用激光刻蚀技术制备点阵微结构和仿生贝壳表面网格微结构,将SiO2纳米粒子涂覆在微结构上制备微纳结构。研究表明,Ti6Al4V合金表面经激光刻蚀后由亲水变为超亲水状态。经低表面能修饰后,点阵微结构表面符合Wenzel模式的疏水状态,而网格微结构表面符合Wenzel模式的超疏水状态。在点阵和网格微结构上涂覆SiO2形成微纳结构表面均符合Cassie模式的超疏水状态,且网格结构表面的接触角更大,滚动角更小。浅海挂板实验显示,微生物粘膜附着量由多至少的顺序为:超亲水状态的点阵微结构表面亲水的抛光表面超亲水状态的仿生网格微结构表面符合Cassie模式的超疏水表面。     

“滴水不沾”的一品红

一品红叶面具有优异的超疏水性能,研究发现其表面分布有大量微米级的“人耳”状凹槽和纳米级的“星型”微凸起,这种微纳米级的复合阶层结构能使其表面吸附一层空气膜,液滴与其表面的接触是液、固、气的复合接触.此外,植物的表面有低表面能的蜡状物,微纳米级的复合阶层结构及其表面的低表面能物质的协同作用使其表面显示出优异的超疏水性能,该研究有望为仿生超疏水材料的制备提供有益的启发.     

超疏水表面结构对结露影响的研究

利用仿生技术制备超疏水表面可以防止或减少金属表面结露结霜,得到了广泛深入地研究。就是利用这一技术采用激光刻蚀和纳米溶液制备超疏水表面分别得到了具有超疏水性能的铝块、硅片。并将这些样品搁置在一定的环境条件下利用高速摄像机观察其表面的抗凝露效果,提出了采用液滴在表面脱落频率和脱落直径来衡量固体表面上的液滴更新频率的快慢,进而衡量固体表面的抗凝效果。通过观察普通铝块与超疏水铝块、不同结构的超疏水硅片之间的表面凝露情况,得出超疏水表面的凝结的水滴与样品的表面接触角大,接触面积较小,以Cassie-Baxter状态悬停在微纳米方柱上,在很小的外力作用下就能离开固体表面,从而达到抗凝露效果。     

超疏水SiO2/PS 薄膜于木材表面的构建

通过溶胶-凝胶法一步合成疏水性且具备独特形貌的二氧化硅粒子,联合聚苯乙烯以滴涂的方式于木材表面仿生合成了稳定性超疏水薄膜。经处理后的木材表面与水的静态接触角为153°,滚动角小于5°。通过扫描电子显微镜照片观察到该复合涂层拥有微米/亚微米的二维等级粗糙结构,该结构协同低表面能物质共同决定超疏水性木材的成功制得。此外,进一步研究了超疏水性木材表面的稳定性和耐久性。结果表明,该超疏水性木材于水、腐蚀性液体(酸液/碱液)、常见有机溶剂中以及一些常见条件下仍保留超疏水特性,为未来木材材料的应用领域扩展提供了有利条件。     

超疏水仿生水泥混凝土路面防覆冰技术及效能评价

通过微纳米路表构建与超疏水材料涂覆技术相结合,制备了超疏水仿生水泥混凝土路面模型试件;开展超疏水材料涂覆技术研究,分析总结其制备工艺;采用自行设计的"冰-路"附着强度测试装置进行防覆冰性能测试,同时开展接触角测量试验、路面表面能计算及耐久性试验,综合评价超疏水仿生水泥混凝土路面的疏水、防冰效能。结果表明:超疏水水泥混凝土试件表面冰的残留率为29.9%,是普通试件的1/3左右,间接反映了超疏水路面具有较好的疏冰性能;与普通试件的接触角0°相比,超疏水水泥混凝土试件的接触角为153.5°,达到超疏水状态;表面能计算表明超疏水材料的作用降低了路面表面能,仅为普通水泥路面的3.4%,进一步验证了超疏水水泥混凝土路面可显著降低"冰-路"附着强度;通过模拟轮胎与路面的摩擦作用,接触角依然在90°以上,表明超疏水路面耐久性良好。     

仿生超疏水性表面及其制备研究进展

近年来,由于仿生超疏水性表面在自清洁、防腐蚀、微流体系统和生物相容性等方面所显示的独特性能以及在国防、工农业生产和日常生活中的潜在应用前景,有关超疏水性表面的研究引起了极大的关注。综述了超疏水性表面研究的最新进展,较为系统地对超疏水性表面的制备方法进行了评述。     

Rapid fabrication of large-area, corrosion-resistant superhydrophobic Mg alloy surfaces

A superhydrophobic magnesium (Mg) alloy surface was successfully fabricated via a facile electrochemical machining process, and subsequently covered with a fluoroalkylsilane (FAS) film. The surface morphologies and chemical compositions were investigated using a scanning electron microscope (SEM) equipped with an energy-dispersive spectroscopy (EDS) and a Fourier-transform infrared spectrophotometer (FTIR). The results show hierarchal rough structures and an FAS film with a low surface energy on the Mg alloy surfaces, which confers good superhydrophobicity with a water contact angle of 165.2° and a water tilting angle of approximately 2°. The processing conditions, such as the processing time and removal rate per unit area at a constant removal mass per unit area, were investigated to determine their effects on the superhydrophobicity. Interestingly, when the removal mass per unit area is constant at approximately 11.10 mg/cm(2), the superhydrophobicity does not change with the removal rate per unit area. Therefore, a superhydrophobic Mg alloy surface can be rapidly fabricated based on this property. A large-area superhydrophobic Mg alloy surface was also fabricated for the first time using a small-area moving cathode. The corrosion resistance and durability of the superhydrophobic surfaces were also examined.     

Vi-PDMS/S-SiO2超疏水聚酯纤维织物的制备及性能研究

目的 基于普通织物材料防水性较差的问题,制备一种具有超疏水涂层的聚酯纤维织物,并对其性能进行研究。方法 以聚酯纤维织物为基材,基于紫外光固化技术通过浸涂法,使用商用气相纳米SiO₂颗粒(S-SiO₂)、端乙烯基聚二甲基硅氧烷(Vi-PDMS)在织物表面构筑微纳粗糙结构,获得超疏水的织物。采用扫描电子显微镜、水接触角测量仪对其微观结构和疏水性能进行表征,并通过机械摩擦实验对其超疏水稳定性进行考察。结果 当Vi-PDMS和S-SiO₂质量比为1∶4时,选择交联剂为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)制备的聚酯纤维织物表面的水接触角可达到151°,滚动角可达9°;且经过40次循环摩擦后,其表面水接触角仍大于140°,具有一定的耐磨性。结论 基于紫外光固化技术,采用操作简便的浸涂法制备的聚酯纤维织物具有优异的超疏水性能和一定的耐磨性,为织物超疏水性能研究提供参考,有望应用于超疏水聚酯纤维织物领域。     

仿生超疏水聚丙烯/二氧化钛复合薄膜的构筑及性能研究

采用简便的相分离法制备出超疏水PP/TiO2复合薄膜。该复合薄膜表面与水的接触角为169°,滚动角小于4°。pH值为1~14的水溶液在其表面都具有很高的接触角,均大于160°。对其表面进行扫描电子显微镜分析可知,该薄膜具有类花瓣二元微纳米复合微观结构,这种结构可捕获空气,形成水与基底之间的气垫,对表面超疏水性的产生起到了关键作用。用Cassie理论对其表面超疏水进行分析,结果表明,约2.7%的面积是水滴和基体接触,而有约97.3%的面积是水滴和空气接触。     

具有不同黏附力Al-Mg-Si合金超疏水表面的制备与表征

基于位错刻蚀理论利用溶液浸泡处理A1-Mg-Si合金在其表面形成微观粗糙表面结构,采用自组装技术在此表面制备FDTS自组装分子膜.采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和表面粗糙度仪对试样表面形貌进行了表征;采用接触角测量仪对试样表面接触角进行了测量.结果表明,试样经溶液浸泡处理和沉积自组装分子膜后,其表面润湿性实现了由亲水到超亲水再到超疏水的转变;改变溶液浸泡时间得到具有不同微观结构的表面,沉积自组装分子膜后得到的超疏水表面具有不同的滚动接触角,其表面黏附力具有明显差异.分析认为,超疏水表面的获得是溶液浸泡处理得到的粗糙表面结构和低表面能物质FDTS自组装分子膜共同作用的结果;表面黏附力的差异是试样表面微观形貌的不同造成水滴在其表面所处状态的差异引发的.     

A combined etching process toward robust superhydrophobic SiC surfaces

Large-scale porous SiC was fabricated by a combination of Pt-assisted etching and reactive ion etching. It was found that the surface roughness of combined etchings increased dramatically in comparison with metal-assisted etching or reactive ion etching only. To reduce the surface energy, the porous SiC surface was functionalized with perfluorooctyl trichlorosilane, resulting in a superhydrophobic SiC surface with a contact angle of 169.2°?and a hysteresis of 2.4°. The superhydrophobicity of the SiC surface showed a good long-term stability in an 85?°C/85% humidity chamber. Such superhydrophobicity was also stable in acidic or basic solutions, and the pH values showed little or no effect on the SiC surface status. In addition, enhancement of porosity-induced photoluminescence intensity was found in the superhydrophobic SiC samples. The robust superhydrophobic SiC surfaces may have a great potential for microfluid device, thermal ground plane, and biosensor applications.     

玻璃纤维增强环氧复合材料上超疏水表面层的制备

先采用真空袋压法制备含CaCO3/环氧树脂表面功能层的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料,再通过化学刻蚀与表面修饰,在玻璃纤维增强环氧树脂复合材料上制备出超疏水表面。采用扫描电镜和动/静态接触角分析仪,表征表面的形貌和疏水性,结果表明,在复合材料表面构建了具有微-纳米尺度二元粗糙结构;采用1%(质量分数)的硬脂酸修饰后,其表面与水的接触角最高达160.03°;制备的超疏水表面结构在室温环境下具有长期的稳定性。     

PVDF/SiO2/PDMS涂层超疏水纺织品性能

目的 针对普通纺织品材料防水性和防污性较差的问题,制备具有自清洁功能的超疏水涂层纺织品,并研究其性能.方法 以涤纶织物为基材,通过非溶剂诱导相分离法,使用聚偏氟乙烯和疏水纳米二氧化硅复合液在纺织品表面构筑微纳粗糙结构,采用聚二甲基硅氧烷对其进行疏水化处理,获得自清洁超疏水涂层纺织品.采用扫描电子显微镜、X射线能量散射光谱和视频光学接触角测量仪等对其结构和性能进行表征,并通过机械摩擦、洗涤、酸/碱/盐溶液浸渍和紫外光照等方法对其表面超疏水稳定性进行考察.结果 当聚偏氟乙烯质量分数为2％,疏水纳米二氧化硅质量分数为0.4％,聚二甲基硅氧烷质量分数为1％时,制备的纺织品的表面接触角可达(162.2°±0.8°),滚动角达(2.0°±0.4°),具有优异的超疏水自清洁效应;经72 h酸/碱/盐溶液浸渍、196 h紫外光照、2500次摩擦和120次家庭水洗后,其表面接触角仍大于150°,表现出优异的超疏水稳定性.结论 采用简便的非溶剂相分离法制备的涂层纺织品具有优异的自清洁性能,并且其超疏水性能具有机械耐久性和化学稳定性,有望应用于纺织材料包装领域.     

ZnO/E-51复合涂料上超疏水表面的制备

采用ZnO和环氧树脂机械搅拌制备ZnO/E-51复合涂料,通过真空袋压、室温固化成型,再通过化学刻蚀与表面修饰,在ZnO/E-51复合涂料上制备出超疏水表面。采用扫描电镜和动/静态接触角分析仪,表征表面的形貌和疏水性。结果表明化学刻蚀在复合涂料表面构建了具有微-纳米尺度二元粗糙结构;采用1%(质量分数)的硬脂酸修饰,可改变复合涂料表面微-纳米尺度二元粗糙结构,影响表面的疏水性能,当修饰时间为30min时,其表面与水的平均接触角最高达152.21°。     

Hierarchically structured superhydrophobic coatings fabricated by successive Langmuir-Blodgett deposition of micro-/nano-sized particles and surface silanization

The present study demonstrates the creation of a stable, superhydrophobic surface by coupling of successive Langmuir-Blodgett (LB) depositions of micro-?and nano-sized (1.5?μm/50?nm, 1.0?μm/50?nm, and 0.5?μm/50?nm) silica particles on a glass substrate with the formation of a self-assembled monolayer of dodecyltrichlorosilane on the surface of the particulate film. Particulate films, in which one layer of 50?nm particles was deposited over one to five sublayers of larger micro-sized particles, with hierarchical surface roughness and superhydrophobicity, were successfully fabricated. Furthermore, the present 'two-scale' (micro-?and nano-sized particles) approach is superior to the previous 'one-scale' (micro-sized particles) approach in that both higher advancing contact angle and lower contact angle hysteresis can be realized. Experimental results revealed that the superhydrophobicity exhibited by as-fabricated particulate films with different sublayer particle diameters increases in the order of 0.5?μm>1.0?μm>1.5?μm. However, no clear trend between sublayer number and surface superhydrophobicity could be discerned. An explanation of superhydrophobicity based on the surface roughness introduced by two-scale particles is also proposed.     

Fabrication of raspberry-like superhydrophobic hollow silica particles

Raspberry-like superhydrophobic hollow silica particles were prepared through a sacrificial polymer template method. The Stöber method was adopted to coat silica onto the surface of cationic polymethylmethacrylate(PMMA) particles by electrostatic interaction. The surface of the PMMA-silica composite particles exhibited raspberry-like morphology with high surface roughness. Hollow silica particles were then obtained by calcination to selectively remove the PMMA core. Subsequent modification with nonafluorohexyltriethoxysilane (NFH-silane) conferred superhydrophobicity on the hollow silica particles. The surface property of this particles were investigated by measuring their water contact angle, and the results showed that such perfluorinated raspberry-like hollow particles had unique superhydrophobic.