仿荷叶超疏水高分子材料

仿荷叶超疏水高分子材料文献综述引言：荷花（nelumbonucifera）被认为是纯洁的象征，这一说法源于荷叶所具有的独特的“荷叶效应”：水滴能在荷叶表面自由地滚落，同时带走其表面的灰尘和杂质。荷叶的这种自清洁效应与荷叶表面的超疏水性有着密切联系；w.barthlott等通过对荷叶表面结构的观察和分析，揭示了荷叶表面的微米和纳米级的结构是导致超疏水性以及自清洁效应的关键。这一发现对于仿生学有着重要的意义：通过模仿荷叶的表面结构，人们可以制备出人造超疏水表面，并由此衍生出大量的实际应用，如建筑表面的防水防尘，衣物的防污等。尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。自然界里具有“自清洁”能力的植物除了荷叶之外，还有水稻、芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种“自清洁”效应除了保持表面的清洁外，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。因为即使有病原体到了叶面上，一沾水也就被冲走了。所以象荷花这样的植物即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。利用纳米/微米复模成型的方法,制备了荷叶表面微乳突清洁功能引起人们极大的研究兴趣,这种自清洁功能源自于表面形貌与低表面能物质的共同作用。目前,已用不少方法来制备仿荷叶表面状疏水结构的聚乙烯醇(PVA)和聚苯乙烯(PS)阴模模具,并利用阴模复模成型在聚二甲基硅烷(PDMS)表面制备了类荷叶的表面结构。扫描电子显微镜(SEM)的观察表明PDMS材料表面上制得的类荷叶结构与荷叶表面的微乳突结构有较好的一致性,而PVA阴模在保持微观结构上更有优势。通过对水滴在PDMS材料表面接触角的测量,证明了在制备有类荷叶表面结构的PDMS材料表面上,水滴的接触角可以得到显著提高。浸润性是固体表面的重要特征之一，它是由表面的化学组成和微观几何结构共同决定的。超疏水性表面是指水在固体表面的接触角大于150°的表面。构建超疏水性纳米结构表面在表面化学和材料化学等基础研究及工农业生产中都有着极其重要的研究意义及非常广阔的应用前景。本论文中，采用简单方法成功制备了类“壁虎的脚”的对水滴具有高粘滞力的超疏水性纳米界面材料以及类“菜花”状的对水滴具有低粘滞力的超疏水性纳米界面材料。研究表明，纳米结构及微米－纳米复合结构对超疏水性及超疏水性表面与水滴之间的粘滞性有着重要的影响。1．采用模板覆盖法，首次制备了对水滴具有高粘滞力的超疏水性阵列聚苯乙烯(PS)纳米管膜。研究表明，该PS纳米管膜表面具有超疏水性，与水的接触角可高达162.0°，且水滴在阵列PS纳米管膜表面不滚动，对水滴具有高的粘滞力。测量了水滴与固体表面之间的粘滞力，与其他超疏水表面相比，阵列PS纳米管对水滴具有很高的粘滞力。这种类似于“壁虎的脚”性能的具有高粘滞力的超疏水性纳米界面材料，将在无损失液体的传输IWP=122中文摘要和微量液体的测试方面具有广泛的应用前景。2．利用模板覆盖方法制备了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纳米棒膜，该膜表面在没有任何低表面能物质修饰时即具有超疏水性，与水的接触角高达152.0°。研究表明，PMMA纳米棒膜表面的空气对超疏水性引起了重要的作用。3．利用激光刻蚀的方法制备了类“菜花”状的具有低粘滞力的超疏水性微米-纳米复合结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜。该复合膜表面具有超疏水性，与水的接触角高达165.2°，且滚动角（5°）非常低。对粗糙PDMS膜表面与水滴之间的粘滞力的测量研究表明，该膜与水之间的粘滞力非常小，和平滑PDMS膜与水滴之间的粘滞力相比，其粘滞力大大减少。超疏水性PDMS表面对水滴具有低粘滞力，是由于材料本身的低表面能性能与其表面的微米-纳米分级结构共同作用的结果。4．从超疏水性的印章角度出发，首次利用软模板印刷的方法，以微米-纳米复合结构的PDMS为软模板，在聚苯乙烯表面上成功制备了同样具有微米－纳米复合结构的超疏水性表面，与水的接触角高达161.2°。软模板印章的方法可以用在其他热塑性聚合物如聚丙烯﹑聚甲基丙烯酸甲酯﹑聚碳酸酯等上，是一种简单有效地制备超疏水性材料的方法。超疏水表面在工农业生产和人们的日常生活中都有着极其广阔的应用前景。荷叶的“自清洁”功能启发了人们将超疏水表面应用到日常的自清洁技术中。例如：它可以用来防雪、防污染、抗氧化以及防止电流传导等。如果建筑物的外墙、露天的广告牌等表面像荷叶一样，就可以保持清洁。船只等在水面航行时需要消耗很多的能源来克服行进中的摩擦阻力，对于水下航行体如潜艇等甚至可达到80%；而对于运输管道如输油（水）管道，其能量几乎全部被用来克服流固表面的摩擦阻力。随着微机电的发展,机构尺度越来越小，固液界面中的摩擦力相对越来越大,如微通道流等摩擦阻力问题已成为相关器件发展的一个重要的制约因素。因此尽量减少表面摩擦阻力是提高航速和节约能源的主要途径。近年来利用超疏水表面减阻的研究越来越受研究者的重视。如利用超疏水硅表面进行减阻研究中发现，减阻可达30%-40%。利用改性硅橡胶和聚氨酯树脂为主，添加低表面能无机填料或有机填料，在制成的双组分涂料的疏水表面减阻的实验中发现，在相对较低的流速时，其最大表面减阻可达30%，但随着流速的增加这种减阻效果下降，原因归于表面粗糙度的影响。目前，有关这方面的研究有待进一步深入。有关超疏水性表面的研究近几年有较多的报道，成为各学科发展的热点之一。但目前有关超疏水表面的制备方法的种类并不多,且过于依赖精密的仪器设备和复杂的化学物质，可供使用的基底还有限，不能够规模化生产。另外，对仿生超疏水性表面的结构与疏水性之间的关系以及动力学还没有系统研究。因此，今后的研究将在以下几个方面进行：实现在广泛的工程材料表面的超疏水性；发展制备超疏水性表面的有效方法；扩展超疏水性表面的应用领域。参考文献：1.李艳峰.于志家.于跃飞化学刻蚀法制备黄铜基超疏水表面[期刊论文]-化工学报2007(12)2.刘斌.傅叶勍.阮维青利用软模板和紫外光固化技术制备超疏水表面[期刊论文]-高分子学报2008(02)3.金美花.廖明义.翟锦软模板印刷法制备超疏水性聚苯乙烯膜[期刊论文]-化学学报2008(01)4.谢永元.周勇亮.俞小春夏海平以砂纸为模板制作聚合物超疏水表面[期刊论文]-高等学校化学学报2007(08)5.王庆军.陈庆民Preparationandapplicationofthesuper-hydrophobicsurface[期刊论文]-高分子材料科学与工程2005(02)6.宋善鹏.于志家.刘兴华.秦福涛.方薪晖.孙相彧超疏水表面微通道内水的传热特性[期刊论文]-化工学报2008(10)7.黄明达.钱欣.冯杰拉伸微模塑制备低密度聚乙烯超疏水表面[期刊论文]-功能高分子学报2009(2)8.QianBaitai.ShenZiqiuFabricationofsuperhydrophobicsurfacesbydislocation-selectivechemicaletchingonaluminum,copper,andzincsubstrates2005(20)9.LeeSM.KwonTHMass-produciblereplicationofhighlyhydrophobicsurfacesfromplantleaves2006(13)10.金美花.冯琳.封新建查看详情[期刊论文]-高等学校化学学报2004(07)11.李欢军.王贤宝.宋延林查看详情[期刊论文]-高等学校化学学报2001(05)12.学位论文超疏水及微图案化表面制作及应用2007高分子091陈志瀚200911024119