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荷叶“出淤泥而不染”为超疏水材料的制备和应用带来哪些启发?
2023年12月04日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:260
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莲花“出淤泥而不染”,这句话除了传达哲学上的深刻思考,也激发了科学家们的无限想象。1977年,德国植物学家Barthlott在电子显微镜下发现莲叶的超疏水和自清洁现象的表面有一层茸毛和一些微小的蜡质颗粒,水在这些纳米级的微小颗粒上不会向莲叶表面其他方向蔓延,而是形成一个个水接触角高于160°的水珠,受轻微振动后,这些水珠会从叶面快速滚落带走叶子表面的灰尘,清洁叶子表面。在这一特殊的“荷叶效应”,启发了科学家们对超疏水材料的制备与应用进行深入研究。

超疏水材料如何制备?

在Barthlott研究的基础上,科研人员们继续进行大量研究,发现固体表面的超疏水性是由低表面能物质和微-纳米粗糙结构共同决定的,表面能较低的材料虽不容易与液体相互作用,但也只能使水滴在材料表面的接触角达到120°,当低表面能材料具有微-纳米级微观粗糙结构时,水滴与材料表面形成“空化”,可以进一步减少水对材料表面的润湿,从而形成接触角>150°、滚动角<10°的超疏水状态。

因此超疏水性表面的制备方法主要有两种路线:一是在具有微-纳米粗糙表面结构的固体表面修饰烷烃类化合物、有机硅化合物、含氟化合物等具有低表面能的物质,二是在具有疏水性的固体表面构造多层级的微-纳米粗糙结构。基于这两种路线,模板法、溶胶凝胶法、层层组装法、沉积法、相分离法、喷涂法等技术都逐步被应用于制备超疏水性表面。

1、蚀刻法

刻蚀法是指通过使用液体蚀刻剂的湿法化学蚀刻或使用等离子体的干法离子体蚀刻在物体表面构造特殊微纳粗糙结构的方法,这种方式的可操作性强,适用于工业化大规模生产,可在多种材料上精确构建不同大小和形状的微结构。但是化学刻蚀所大量采用的腐蚀性溶液通常具有生物毒性,对人体和环境有一定的危害。

2、化学气相沉积法

化学气相沉积(CVD)是一种将前驱体加热成气态后,将其沉积在衬底上以形成所需的固体薄膜的技术。利用CVD法制备超疏水材料,不仅可以构建具有不同形貌微-纳米粗糙结构,还可以不受基材形状限制在粗糙表面上沉积一层均匀的低表面能疏水薄膜,但制备的膜层较薄。


化学气相沉积法制备模拟荷叶表面的超疏水碳纳米管结构表面扫描电镜结果图

3、溶胶-凝胶法

溶胶凝胶法是采用含高化学活性组分的化合物作为前驱体水解形成溶胶,再将溶胶涂覆在基体表面,经陈化形成具有三维空间网络结构的凝胶,最后再通过干燥在材料表面成形成粗糙的三维多孔涂层的过程。这种技术的优点在于可直接采用含有低表面能物质的前驱体,操作方便,制备成本低廉,对基底要求不高,但涂层结构的可控性较差。


超疏水气凝胶的制备示意图

4、静电纺丝

静电纺丝是一种利用聚合物溶液在一定条件下拉伸成丝制备直径在微米和纳米级纤维的技术,通过在具有低表面能的聚合物纺丝液中掺入纳米颗粒进行静电纺丝,可一步到位制备兼具低表面能物质和微纳粗糙结构的表面,不需要后处理就可达到超疏水效果,但由于生产成本较高,目前无法实现量产。

静电纺丝制备超疏水材料示意图

5、层层组装法

层层组装法是利用氢键、共价键、配位键、静电引力等分子间作用力,将衬底交替浸泡在带正电荷或带负电荷的材料溶液中实现自发吸附组装,从而构建微纳粗糙结构的一种方法。在组装过程中,可加入SiO2等纳米颗粒提高表面粗糙度。该法凭借操作简便、能精确控制涂层厚度等优点已被广泛应用在超疏水表面制备上,但存在制备过程冗长耗时的缺点。


层层组装法制备SiO2基超疏水材料示意图

6、模板法

模板法是制备超疏水表面的常用方法,该方法是在衬底上附着一层具有粗糙结构的模板,再将铸膜液加入到模板上,模板表面成膜后通过物理或化学手段将模板移除,即可在衬底上得到疏水性薄膜。这种方法可实现对结构的高度控制,但由于受模板尺寸的限制,难以实现大规模生产。

基于磁流体成型法制备圆锥形貌PDMS(聚二甲基硅氧烷)结构的示意图

7、喷涂法

喷涂法是指将聚合物和纳米颗粒的混合溶液在一定压力下从喷枪中喷出,形成雾状粘附在基底表面的方法。该方法工艺简单,成本低廉,尤其适合硬质基材的大面积喷涂。但通常需借助胶黏剂使基底和涂层紧密结合或喷涂溶液自身作为强力的胶黏结合层。


喷涂法制备超疏水抗腐蚀表面示意图

超疏水材料的应用

超疏水材料的独特结构赋予了它自清洁、防腐蚀、防冰、防粘等实用功能特性,在工业上的潜在应用也逐渐被发掘。

1、自清洁

作为超疏水材料的最大特点,自清洁特性使得其在建筑、纺织、医疗等行业都有广泛的应用前景。在建筑领域,高层建筑的玻璃幕墙由于裸露在外,容易粘附油、灰及水渍,清洁难度大,采用具有自清洁特性的超疏水玻璃则大幅减少了清洁难度和维护费。在纺织领域,将超疏水材料以喷涂、纺丝等方式编织进织物或鞋子表面,理论上即可在潮湿泥水环境中实现自清洁效应。在医疗器械表面应用超疏水涂层,可以防止生物污染和细菌附着,提高器械的卫生性能。


自清洁玻璃(来源:中科华纳)

2、油水分离

传统的油水分离方法(如重力分离、气浮分离等)存在分离效率低、成本高且时间长等缺点,在实际应用中存在诸多限制,因此工业油污的分离与降解一直是环境保护领域中的关键性难题。在陶瓷膜上进行超疏水改性,则可利用超疏水膜层对油和水的浸润性差异,实现高效率的油水分离,有效实现污染物的选择性过滤与吸收,对于环境保护及资源回收利用具有重要意义。

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3、抗腐蚀

当金属裸露在环境中时,容易与氧气、水、盐等介质发生氧化还原反应,导致金属结构受损。利用超疏水材料作为金属的保护涂层,就能使液体更容易从金属表面滚落,减少金属表面与液体的直接接触,并隔绝水分和微生物,起到出色抗腐蚀作用,因此,对于金属表面的腐蚀防护也是超疏水表面的一个重要应用。

4、防覆冰

电线、工业设备、道路等因严寒天气造成的表面覆冰会给人们的日常生活带来极大的不便,甚至引起严重的安全事故。在重要设备的表面上制备超疏水涂层既可有效促进液滴在表面上的滚动和掉落,削弱冰和固体的附着力,还可有效减少冰与固体表面的接触面,从而起到抑制结冰的作用。


小结

超疏水材料的疏水特性归因于其低表面能物质和微-纳米粗糙结构的协同租用,故可采用化学气相沉积、蚀刻法、溶胶-凝胶法、喷涂法等方式在具有微-纳米粗糙表面结构的固体表面修饰具有低表面能的物质或在具有疏水性的固体表面构造多层级的微-纳米粗糙结构。而超疏水材料所具备的自清洁、防腐蚀、防冰、抗腐蚀等实用功能特性,在日常生活及工业生产中展现的广泛应用前景,未来结合超疏水材料这些特性制备多功能材料有望成为超疏水材料的发展方向。

 

参考文献:

1、张大帅,冷晓晨,赖怡敏等. 超疏水材料的研究现状[C]//中国环境科学学会.中国环境科学学会2023年科学技术年会论文集(二).2023.

2、袁淦. 基于飞秒激光制备超疏水表面及其应用研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2023.

3、苏晓竞. 功能性超疏水材料的制备及其应用研究[D].华南理工大学,2021.

4、郭升亮,田永庆,韩媛媛等.超疏水材料的研究进展[J].化工管理,2021.

5、何智超,倪春阳,张锋.高性能超疏水材料的制备方法及应用研究进展[J].化学工程师,2023.


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