多功能超疏水表面的制造和应用研究现状

荷叶表面是自然界中典型的超疏水表面,具有"出淤泥而不染"的特性,近年来,荷叶表面的超疏水现象引起了科研人员的广泛关注.普通表面经构建微纳米级粗糙结构和低表面能修饰后,可获得超疏水表面.将水滴置于超疏水表面上,水滴与超疏水表面间存在一层空气垫,空气垫可有效减小水滴与表面的接触面积,使水滴无法浸入表面微观结构中,而被"支撑"在超疏水表面上,因此超疏水表面对水表现出优异的排斥性.这种特殊性能使超疏水表面在诸多领域都有极高的应用前景和市场价值.本文对超疏水基础原理进行了梳理,并对近期超疏水领域的研究成果进行了综述.首先介绍了超疏水表面的经典润湿理论,包括Young模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型.然后归纳了诸多超疏水表面的制备方法及优缺点,包括激光刻蚀法、化学沉积法、化学刻蚀法、电化学沉积法、电化学刻蚀法、热氧化法、喷涂法等.在分析不同制造方法的基础上,进一步讨论了超疏水表面在自清洁、防雾、抗结冰、耐腐蚀、液体无损转移、油水分离、摩擦发电、芯片实验室、液滴传感器等领域的应用.最后,指出超疏水表面从实验室研究走向生产应用过程中所面临的问题,并对超疏水表面的未来发展进行展望.     

超疏水表面在金属防护中应用的研究进展

超疏水表面由于具有独特的微纳米粗糙结构和低表面能性质,能形成空气垫物理屏障层,减小材料表面与水或其他腐蚀介质之间的接触面积,因此被广泛应用于金属的腐蚀防护。首先简单介绍了超疏水表面的相关理论,主要包括Young氏方程、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。然后,归纳总结了三种制备超疏水表面的有效途径:在低表面能物质上构建微纳米级粗糙结构;先构建出具有微纳米级的粗糙结构,再对表面进行低表面能修饰;一步法完成低表面能修饰和微纳米级粗糙结构的构建。在此基础上,详细地综述了常见的超疏水表面(薄膜或涂层)在金属防护中的应用。进一步介绍了通过在超疏水体系中引入缓蚀剂的方式,构建具有主动防护功能的超疏水表面,并介绍了此种超疏水表面在金属防护中的应用。最后指出了目前的超疏水表面在制备工艺以及耐久性等方面存在的问题,并对其在金属防护领域的应用前景和发展方向作出了展望。     

铝基碳化硅复合材料超疏水表面的蚀刻制备及性能表征

通过简单的盐酸溶液蚀刻方法在2024铝基碳化硅复合材料基体上制备出超疏水表面,电镜观察结果显示,蚀刻后复合材料中碳化硅颗粒自身作为超疏水结构所必需的微米级结构,而碳化硅微粒上又具有纳米级颗粒,形成了类似荷叶表面的微米-纳米二级复合结构。结合氟硅烷修饰,获得了接触角高达157.02°,滚动角5°的超疏水表面。实验研究了不同蚀刻液浓度和时间对表面疏水性的影响,得到特定条件下的最佳工艺参数:盐酸溶液浓度15%(质量分数),蚀刻时间2 min。性能测试结果表明,所制超疏水表面具有较好的抗酸碱性能、稳定性、耐磨性和抗腐蚀性能。     

等离子体纳米织构化聚合物表面的液滴蒸发机制∗

超疏水性表面的微纳结构改变极大影响了液体蒸发行为,在超疏水性材料工程应用方面具有重要研究价值。 采用氧等离子体处理(OPT)和八氟环丁烷等离子体聚合沉积(FPD)的两步等离子体纳米织构化法在聚丙烯表面制备纳米线和纳米锥结构,研究具有不同纳米织构聚丙烯超疏水性表面的去离子水滴在 30 ℃和 60 ℃温度下的蒸发行为,并对其蒸发机制进行讨论和分析。 结果表明:液滴在超疏水性表面总蒸发时间随 FPD 时间的增加变短。 液滴蒸发初期,液滴在聚丙烯表面处于 Cassie 态,此时主要传热方式为聚丙烯表面通过气体与液滴间接传热,液滴均匀蒸发,蒸发模式为恒定接触角(CCA)模式;随蒸发时间增加,液滴在表面的浸润状态依次转变为 Marmur 态和 Wenzel 态,主要传热方式变为聚丙烯表面与液滴直接传热,液滴蒸发加快,蒸发模式转变为混合(Mixed)模式。 聚丙烯表面纳米织构的尺寸增大和团簇增加导致液滴与超疏水性表面之间的气相占比减少,造成聚丙烯表面与液滴直接传热加强,促进了液滴从 CCA 到 Mixed 的蒸发模式转变。     

微纳结构对硅基超疏水表面冷凝特性的影响

目的 研究微米结构中心距对微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率的影响。方法 首先采用湿法腐蚀在硅表面构建中心距分别为22、24、26、28、30 μm的微米四棱台结构,然后采用溶胶-凝胶法在表面涂覆疏水的纳米二氧化硅颗粒,获得微纳二级结构超疏水表面。通过表面接触角测量仪分析表面的湿润性,通过扫描电镜观察表面的微观形貌特征,使用光学显微镜观察冷凝小液滴自迁移现象,使用电子天平称量表面的冷凝集水质量。结果 当纳米结构相同时,随着微米结构中心距的增加,液滴静态接触角减小,冷凝小液滴的自迁移频率变慢,相同时间段内,平均集水效率下降。当相对湿度大于90%时,会出现表面“淹没”现象。微纳二级结构超疏水硅表面（微米结构间距22 μm）的集水效率是单独微米结构硅表面的1.38倍、单独纳米结构疏水表面的1.27倍、疏水硅光片表面的1.75倍、光二氧化硅亲水表面的3.6倍。结论 当纳米结构相同时,在一定范围内适当减小微米结构的中心距,有助于增强微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率。     

超疏水性聚合物表面宏观结构对液滴撞击行为影响∗

超疏水性表面的液滴撞击是普遍存在的现象,研究具有不同尺寸和形状宏观结构的超疏水性表面对液滴撞击行为和接触时间的影响,对于其潜在应用具有重要的理论指导作用。 采用等离子体纳米织构化方法在平整与具有矩形、半圆形和三角形宏观结构的聚乙烯表面上制备超疏水性纳米线结构,通过高速摄像机观察超疏水性聚乙烯表面的液滴撞击行为,分析撞击液滴的形状演变和接触时间变化。 研究表明:超疏水性聚乙烯表面的矩形、半圆形和三角形宏观结构可显著改变液滴的撞击行为,液滴铺展后回缩过程的缩减加速了超疏水性表面液滴的弹离,有效降低了超疏水性表面的固液接触时间。 超疏水性聚乙烯表面的矩形、半圆形和三角形宏观结构尺寸小于液滴直径时,均可造成高速撞击液滴分裂,液滴的分裂回弹导致固液接触时间进一步降低,接触时间最低可达到约 4. 8 ms。 疏水性表面的宏观结构有利于固液接触时间降低,具有宏观结构的疏水表面展现出抗水滴高速撞击的去润湿性能。     

超疏水涂层的制备及其性能

通过在有机硅改性丙烯酸树脂中加入具有疏水作用的纳米及微米级颗粒,在碳钢表面制备超疏水涂层。利用扫描电镜和接触角测定仪对涂层表面的微观结构及疏水性能进行表征,结果表明：该涂层结构与荷叶表面的微观结构很相似,水滴与涂层表面的接触角达到了150°,涂层具有超疏水性能。     

超疏水铝合金表面的制备及耦合机理分析

为制备超疏水铝合金表面,采用高速电火花切割技术在铝合金表面加工类水稻叶表面的沟槽结构。通过扫描电子显微镜(SEM)观测材料表面形貌,采用接触角测量仪表征水滴在材料表面的疏水性和黏附性。结果表明： 铝合金表面形成了排列规则的微米级沟槽结构,沟槽突起和底部覆盖着微米级凹坑、突起物和纳米级错层等结构。铝合金试样表面的接触角由加工前的61.24°提高至157.71°,最大达165.36°,实现了材料表面亲水向超疏水的转变。提拉法表明加工的铝合金表面具有高黏附特性。将测得的接触角与CassieBaxter模型计算的理论值进行比较,发现试样表面的超疏水性是微米级和纳米级等复合结构共同耦合作用的结果。铝合金试样表面的多尺度结构不仅提高了材料表面的疏水性能,同时也形成了试样表面的高黏附特性。     

表面粗糙度对硅橡胶材料表面超疏水性的影响

采用一种简单的方法制备出了硅橡胶超疏水性表面;将模具内表面做成一定的粗糙度;按照常规成型工艺,将液体硅橡胶浇注在模具内使其固化,待固化完毕后脱去模具,得到不同粗糙度的表面.经过接触角测量仪测定和扫描电子显微镜分析,结果表明:当硅橡胶表面粗糙度Ra=6.63 μm时,在其表面形成了类似于荷叶的乳突结构;在乳突表面还有亚微米级的小颗粒存在,形成了微米亚微米两级的粗糙结构,材料表面与水的静态接触角为153.5°,滚动角为8°,材料具有超疏水性;当硅橡胶表面粗糙度 Ra<6.63 μm时,材料表面的静态接触角随着表面粗糙度的增加而增加,当Ra=6.63 μm,静态接触角出现最大值153.5°.当表面粗糙度Ra>6.63 μm,材料表面的静态接触角随着表面粗糙度的增加而减小.     

MB8镁合金表面超疏水复合膜层的制备与表征

利用微弧氧化技术在镁合金表面制备微米级粗糙结构,采用环氧树脂溶液和纳米二氧化硅分散液对该表面进行涂覆处理,得到二氧化硅纳米颗粒均匀分布的粗糙表面,再利用全氟硅烷改性,制备得到具有超疏水性的复合膜层。采用扫描电镜、X射线衍射仪、接触角测量仪、高速摄影系统评价膜层的形貌结构和润湿性。结果表明,微弧氧化层所具有的微米级结构和纳米二氧化硅颗粒组成的微/纳二元粗糙结构对疏水性的提高具有重要作用;复合膜层表面的接触角随二氧化硅分散液浓度的提高呈现先增加后减小趋势,并最终逐渐稳定在150o左右;在二氧化硅分散液浓度为10.0g/L时,复合表面的接触角最大,可达161o,在此条件下获取的复合表面对不同pH值的液滴均具有超疏水性。同时该表面对水滴呈现低黏附特性。     

滚筒防冻粘涂层的理论研究

我国高寒地区冬季采煤中由于改向滚筒表面冻粘引起的输送带跑偏、撕裂问题严重制约了冬季煤矿的安全和高效生产。阐述了冻粘产生的机理,介绍了现有的Young,Wenzel,Cassie 3种接触角理论模型,简述了超疏水涂层的自清洁原理,总结了近年来国内外超疏水膜研究进展与制备方法,分析了超疏水膜制备的局限性和应用于改向滚筒的可行性,对解决滚筒冻粘问题作出了展望。     

修饰不同微结构对疏水性表面浸润性的影响

目的研究修饰微结构对疏水性材料表面浸润性的影响并指导制备超疏水表面。方法基于有限元软件建立了水滴在修饰不同微结构的疏水性表面的润湿模型,通过水滴表观接触角衡量分析了疏水材料表面修饰单一粗糙结构和复合粗糙结构对疏水性提升的效果,利用硅树脂掺杂微粒制备了不同粗糙度的疏水性涂层,涂层固化后测试其实际接触角大小,并与仿真结果对比。结果仿真结果显示,对水滴接触角为100°的表面修饰单一粗糙结构后,由于微结构形成的凹槽滞留空气,阻碍了水滴在表面铺展,使得水滴在表面的接触角增大至133°。在原微结构基础上修饰更小一级的微结构后,水滴在表面的接触角达168°,材料表面达到超疏水效果。实验中,随涂层表面粗糙度的提升,水滴在表面的接触角逐渐增大,掺混两种微粒的疏水涂层固化后,表面形成复合微观结构,水滴接触角达162°,与仿真结果拟合较好。结论在疏水性表面修饰微结构可显著提升其表面疏水性,修饰复合结构后可达到超疏水效果,此方法可用于实际工程制备超疏水表面。     

基于图像处理技术界定微纳复合织构防覆冰性能

目的 制备具有防覆冰性能的微织构表面,准确评价微织构表面的结冰性能。方法 采用激光二次扫描方法,以铝合金为基底,构筑沟槽-凹坑型复合微织构表面,以水滴在其表面结冰过程的图像为对象,采用阈值法分割图像和背景,对提取出的图像进行形态学运算,通过分析水滴结冰过程中的轮廓变化规律,研究水滴结冰过程的状态变化,进一步界定水滴的结冰时间。结果 纳秒激光一次扫描形成的沟槽结构,增加了试件表面的粗糙度,使铝合金表面接触角由54.4°提高到116.5°,实现了铝合金表面的疏水性能。而二次扫描构建的沟槽-凹坑复合微织构,形成了Cw-Cn接触模型,进一步提高了试件表面的疏水性,试件表面接触角增大至154.4°。超疏水表面成核能垒高,且沟槽-凹坑复合微织构捕获的空气降低了固液界面的热交换速度,是铝合金表面结冰时间由11 s延长到551 s的原因。图像处理方法准确界定了水滴在结冰过程中的三个阶段。采用Harris角点检测法,可以实现精确判断结冰完成时间,减小了肉眼判断结冰状态所带来的主观误差。结论 纳秒激光二次扫描构筑的沟槽-凹坑复合微织构可以有效提高Al7075表面的疏水性,并延缓水滴在其表面的结冰时间。图像法处理提取的表面轮廓,为研究分析水滴在结冰过程中的状态变化提供了一种新思路。     

超浸润油水分离膜及其研究进展

受到自然界中动植物表面超疏水/超亲水特性的启发,仿生超浸润膜材料作为一种新兴的油水分离材料引起了科研人员的广泛关注。首先通过对影响膜材料表面润湿性的基础模型进行分析,包括Young方程、Wenzel模型和Cassie模型,总结了制备超浸润膜材料需要调控的2个关键因素——表面张力和纳微多级结构。其次,对比分析了不同类型超浸润膜的油水分离过程,概述了超浸润油水分离膜的技术优势,包括油水选择性好、分离效率高、操作简单、能耗低等。揭示了常见超浸润膜对稳定油水乳液的分离机理,即基于膜孔径小于乳液尺寸的筛分效应;通过膜材料对油水截然相反的浸润性实现界面破乳和选择性分离。在此基础上,重点综述了近年来常见超浸润油水分离膜的研究进展,其中包括超疏水/超亲油膜、超亲水/水下超疏油膜、Janus膜、智能响应膜,并对不同类型的超浸润膜材料在分离过程中存在的技术优势和问题进行了分析。最后,提出了该领域研究存在的问题和面临的挑战,并对未来超浸润膜材料的发展方向和应用前景进行了展望。     

硅橡胶在积污过程中的润湿行为

利用静态接触角法、接触角滞后和HC喷水分级法对自然积污过程中的硅橡胶进行了表面润湿性研究,用粗糙度仪和扫描电镜对样片进行表征分析,研究发现:随着硅橡胶不断的积污,表面粗糙度越大,静态接触角随之也增大,接触角滞后变小,滞后由小到大的顺序是:S3(中污)S4(板结)S1(清洁)S2(轻污)。另外,积污后的硅橡胶表面的润湿特点跟润湿方式有关,如当静态水珠润湿其表面时,表现很好的憎水性,接触角可高达130°以上,当以强烈水流冲击其表面润湿时,表现憎水性较差,憎水分级多数为HC5-HC6。     

电化学刻蚀法制备铝合金超疏水表面及其润湿性转变

目的通过简易环保的方法在铝合金基体上制备超疏水表面。方法采用电化学刻蚀和空气中保存法在铝合金基体上制备超疏水表面,用扫描电子显微镜、粗糙度测量仪和光学接触角测量仪对所得样品的微观形貌、表面粗糙度和润湿性进行分析。结果水滴在铝合金表面的接触角随着保存时间的增加而增大,电化学刻蚀所得超亲水表面逐渐表现出超疏水特性。12 d后表面趋于稳定,水滴在铝合金表面的接触角和滚动角分别为(152.3±4.5)°和(6.4±2.2)°。随着电化学刻蚀时间的增加,铝合金表面的润湿性减小。热处理可以使超疏水表面转为超亲水表面,在空气中保存后表面又恢复疏水性。结论试验所用中性环保的NaCl溶液作为电解液,极大地降低了试验对人体和环境的危害。并未使用有害的二次化学涂层作为表面能修饰材料,提高了试验的安全性和超疏水表面的稳定性。通过此简单环保的电化学刻蚀和空气中保存的方法成功地在铝合金基体上制备出了超疏水表面,所得表面展现出良好的疏水特性。     

彩色超疏水不锈钢表面的制备

目的解决普通彩色不锈钢表面能高、易被污染的缺点,制备既有装饰效果又具有超疏水自清洁性能的彩色超疏水不锈钢表面。方法通过简单的化学蚀刻法在不锈钢表面建立微纳米尺度的二元微结构,在此基础上进一步由铬酸化学氧化法(INCO法)在不锈钢表面生成微纳米结构彩色膜,经全氟硅烷分子修饰后,最终获得低表面能类荷叶粗糙结构。通过着色曲线、扫描电镜、电子能谱分析仪以及接触角测试等手段研究了化学蚀刻前处理对不锈钢着色性能、微观结构、表面浸润性以及耐腐蚀性能的影响。结果蚀刻处理后,着色过程减缓,所着终点颜色有轻微改变,着色后表面保留了微纳米粗糙结构。由全氟硅烷分子修饰后,获得超疏水彩色不锈钢表面,水接触角为152.6°,其耐腐蚀性能较普通彩色不锈钢更为优异。结论成功制备了耐蚀彩色超疏水不锈钢表面。     

A morphological study on direct polymer cast micro-textured hydrophobic surfaces

The surface microstructures that contribute to the lotus leaf's superhydrophobicity are replicated onto a polymer surface using a two-stage (negative-positive) direct casting method and the replicates' surface morphology is investigated in this study. Vinyl polysiloxane (VPS), polydimethylsiloxane (PDMS) and polymethylmethacrylate (PMMA) are used for the replication and the replicates obtained are investigated using confocal microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and contact angle measurements. Geometric texture parameters such as peak height, peak/valley base width and inter-spacing between adjacent peak/valleys are measured for the lotus leaf and its replicates. Of the six combinations of positive and negative replicates attempted, VPS-PMMA and PDMS-PMMA replicates display shorter peak heights and larger base widths. These replicates have contact angles of 132.1° and 129.2° respectively, which are closest to the contact angle of the lotus leaf, 152.9°. Statistical two sample t-test revealed that VPS-PMMA's surface morphological parameters are closest to that of the lotus leaf. Also, theoretical calculations, based on two different methods from literature, using the measured geometric texture parameters show that polymer replicates satisfy criteria for a stable Cassie-Baxter wetting regime.