疏水材料的表面是如何制作的?
专业知识浅薄,只说一下我所接触的一种材料-OTS。我做的材料一般都是在硅片表面涂覆一层OTS,使得硅片表面改性,产生疏水性能。其实是硅片表面的SiO2与OTS发生反正产生了疏水性能的官能团。制备方法很简单,就是浸泡,不过条件要求比较苛刻,需要无水环境。每每做这个都在想,若是能把汽车玻璃浸泡一下,表面有一层疏水性能的膜,以后开车就再也不用担心车内外温差会产生水汽了,也无需担心下雨有水渍啦。
疏水表面常见的制备方法有溶胶凝胶法、化学修饰法、喷涂法、液相法、化学蚀刻法、水热法、微相分离法、原位聚合法、静电纺丝法、阳极氧化法等,都是近几年出现的疏水表面的制备方法。人工制造疏水表面虽然时间不长,但发展十分迅速,好的制备方法也越来越多。
N年前,在我还是硕士研究生的时候,做过三种疏水材料,一个是纯靠手工打磨,来达到表面憎水的效果,当时打磨的好像是一种铝合金材料了吧,用金相砂纸,打磨出来的。这个太久远了,09年了,不太记得了。后来,做铝阳极氧化,用高纯铝,99.995%的高纯铝,做氧化铝膜,然后,在正硅酸乙酯-乙醇溶液中封闭,也能做到表面憎水的效果。还做过一段时间的镍-铬复合镀层,不过这个有点失败,因为本身,铬,尤其是六价铬存在的时候,就会影响镍在阴极的沉积行为,当年我用了几种材料,304钢和99.999%的铁上,都没重现性,偶尔,冷不丁的成功一个。
润湿性是固体表面的重要性能,描述润湿性的物理参数为液滴的接触角。既然是疏水材料,那么这种材料的水接触角必然大于一个固定数值,目前学术公认的数值是90度。那么要制作这种大接触角的材料一般需要考虑的影响因素首先是表面能,表面能与接触角的大小有直接的关系,低表面能物质(硅烷化试剂、烷基化试剂和碳氟化合物等)对于增大水滴接触角,增强表面的疏水性能具有重要作用。也就是说,在某种固体材料的表面修饰上低表面能物质可以增大其疏水性。除了化学因素外,表面物理结构形貌特别是微观几何是决定疏水的关键因素。大量的理论和实验表明,只要有合适的微观粗糙结构,在较小的本征接触角条件下也能使液滴处于稳定的复合润湿态(参考荷叶的疏水结构)。还有,一个润湿系统由固体表面、液滴、外部环境组成。为达到理想的超疏水性,固体表面的内在作用可在外部环境的刺激下得到进一步加强。更重要的是,通过外界影响,可人为调控超疏水行为,这对将来发展各种机敏智能超疏水材料意义重大。外部环境作用主要包括声、光、电、热、振动、压强等,它们对表面润湿性质有极大影响。不过,我个人认为,题干中的疏水材料制作,主要应该是考虑物理和化学因素,可以在基材上设计合理的微纳米结构进行蚀刻,然后通过化学反应或者吸附等物理过程修饰低表面能物质,就能制作出疏水材料甚至是超疏水材料(接触角大于150°)。
1疏水材料非常神奇,从发现荷叶效应受到启发开始,世界各地充满了研究者、课题组前赴后继地做研究,特殊浸润性是和纳米材料互有渗透的交叉前沿学科。2从方法论的角度,一些非常传统,非常简单的反应可以用来构筑疏水表面;也有一些高端大气上档次,好多人见都没见过,想都没想过的方法,在被用来做特殊浸润性表面。(比如我真的还没见过活的等离子束物理气相沉积,我见识短……)3从目前的结果上看,现在户外设备如冲锋衣啊什么的,已经在用一些超疏水涂层了,缺点是耐用性似乎比较差,我的冲锋衣一开始是有荷叶效应的,洗了一次以后就只能防水了,再没有水珠排排队、亭亭玉立的那种美感了……因为超疏水涂层要基于一定的微观结构才更有效,仅靠低表面能不容易做到效果特别好,而想让一个东西排排队站好还永远不乱,是违反了熵增定律的,在一定程度上也是反人类反科学的。此外,建筑外墙涂料,是一直有一些自清洁的效果的,有一种是靠超亲水自清洁,也有是靠超疏水的。还有汽车、卫浴什么的,都有产品问世啦。研究也依然火热。
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