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改性與改型

粉體材料表面潤濕性及在材料工程中的意義

來源：中國粉體技術網更新時間：2015-02-04 11:00:50 瀏覽次數：

（中國粉體技術網/班建偉）潤濕性是材料表面的重要特性之一，通過靜態接觸角來表征，影響潤濕性的因素主要是材料表面的化學組成和微觀結構，主要通過表面修飾和表面微造型來改變材料表面潤濕性。潤濕性已經直接應用到了生產和生活中，構建超疏水表面和潤濕性智能可控表面是現階段的研究熱點，對于建筑、涂飾、生物醫學等領域都有重要的意義。

超疏水納米自潔涂料

潤濕是自然界中最常見的現象之一，如水滴在玻璃上的鋪展，雨滴對泥土的浸潤等等。潤濕性是材料表面的重要特性之一，并已經成功運用到人類生活的各個方面，例如潤滑、粘接、泡沫、防水等。近年來，隨著微納米技術的飛速發展以及仿生學研究的興起，對于固體表面潤濕性的研究越來越引起了人們的重視，具有超疏水表面的金屬材料具有自清潔作用，從而提高其抗污染、防腐蝕的能力；而在農藥噴霧、機械潤滑等方面卻又要求液體具有良好的親水性，所以對于材料表面潤濕性的研究在材料工程中具有重要的意義。為了調控材料表面的潤濕性，人們通過接枝、涂層、腐蝕等眾多方法從化學組成和微觀結構兩個方面對材料進行了改性，并取得了良好的結果。
1、潤濕性
潤濕是指液體與固體接觸，使固體表面能下降的現象，常見的潤濕現象是固體表面上的氣體被液體取代的過程。例如在水干凈的玻璃板上鋪展，形成了新的固/液界面，取代原有的固/氣界面，這個過程的完成與固體和液體的表面性質以及固液分子的相互作用密切相關。
潤濕作用實際上涉及氣、液、固三相界面，在三相交界處自固-液界面經過液體內部到氣-液界面的夾角叫接觸角，以θ表示，通常通過Young方程計算得到，該方程是研究液-固潤濕作用的基礎。一般來講，接觸角θ的大小是判定潤濕性好壞的判據。若θ=0，液體完全潤濕固體表面，液體在固體表面鋪展；0<θ<90°，液體可潤濕固體，且θ越小，潤濕性越好；90°<θ<180°，液體不能潤濕固體；θ=180°，完全不潤濕，液體在固體表面凝聚成小球。
這是理想表面的情況，并且也沒有考慮到重力的影響，然而對于實際表面，多數都是粗糙和不均勻的，還有表面污染的情況，影響接觸角的因素變得復雜。可分為材料表面本身的影響和外界環境的因素，而材料組成和結構的因素處于主導地位。
2、潤濕性的影響因素
材料表面的潤濕性由表面原子或原子團的性質和密堆積方式所決定，它與內部原子或分子的性質及排列無關。有研究表明，材料表面的潤濕性受兩方面因素支配：化學組成和微觀結構。
化學組成對潤濕性的影響本質上是表面能對潤濕性的影響。通過共價鍵、離子鍵或金屬鍵等較強作用結合的固體，它們具有高能表面，通過范德瓦爾斯力或（氫鍵）結合的分子固體，具有低的表面能。而固體的表面能越大，通常越容易被液體潤濕，反之亦然，所以無機固體較有機固體和聚合物易被潤濕。需要強調的是，從表面化學組成角度考慮，固體表面的潤濕性質僅僅取決于表面最外層的原子或原子基團的性質及排列情況。這是人們為適應各種需要能進行表面修飾改變固體潤濕性質的一個基礎。
微觀結構對于表面潤濕性的影響本質上是表面微觀幾何結構和粗糙度的影響，通常具有至關重要的作用。微觀結構對材料表面潤濕性的影響，目前已有兩種經典理論可以對其進行分析和解釋，即Wenzel理論和Cassie理論。粗糙表面與液滴的接觸通常有以下兩種情況：完全潤濕時，液滴填充于粗糙表面上的凹坑，形成“潤濕表面”，這種接觸形式稱為潤濕接觸；不完全潤濕時，液滴不填充于粗糙表面上的凹坑而位于粗糙突起的頂部，形成“復合表面”，這種接觸形式稱為復合接觸。這兩種接觸形式定義了粗糙表面上液滴的兩種潤濕模式，即Wenzel模式和Cassic模式，分別對應于wenzel理論和cassie理論。
荷葉能夠“出淤泥而不染”，是因為荷葉表面上具有不易沾水的微米結構的乳突，乳突表面上還有由表面蠟質晶體形成的納米結構；蝴蝶翅膀表面具有疏水性是由于其闊葉型或窄葉型鱗片的覆瓦狀排列；水鳥羽毛由于其數百微米長的細羽末端交叉排列數十微米長的尖刺狀小羽枝以及表面脂質的共同作用，使其具有超疏水特性。人們對于這些自然現象的研究漸漸發現了固體表面微觀結構與潤濕性之間的關系。材料表面粗糙度的提高將增強表面疏水性能，表面的微納米結構的的排列將直接影響水滴在材料表面的運動從而對潤濕性造成影響。還有研究表明通過改變材料表面的幾何結構，能夠實現粗糙表面上兩種潤濕模式的轉變，這也為人們通過表面刻蝕改變固體潤濕性提供依據。
3、潤濕性在材料工程中的意義
材料表面潤濕性已經大量運用到了在材料工程中，例如：潤滑就是利用潤滑油對于物件表面的潤濕性形成一層保護膜，減小摩擦力的作用，達到潤滑的效果；對底材潤濕性好的涂料能夠更好的粘接和鋪展；各種防水材料也是利用了材料表面的疏水性等等?，F在隨著人類科學技術的迅猛發展和生活水平的日益提高，各行業對材料結構和性能的要求越來越高。借助于材料表面微造型及表面修飾，來控制材料表面的潤濕性能，從而實現材料表面防水、自清潔、潤滑等能力，就能夠很好地改善材料的綜合使用性能，從而提高材料的使用價值。
3.1構建超疏水表面
超疏水表面在自清潔材料，微流體和無損液體傳輸等很多領域都有廣泛的應用前景，另外還可以用來防雪、抗氧化、防止電流傳導等，在工農生產和人們的日常生活都具有極其廣闊的應用前景。制備超疏水表面的方法主要分為兩類：一類是在固體表面修飾低表面能物質降低其表面能，從而達到超疏水的效果。另一類是在固體表面構建微米或/和納米粗糙結構形成超疏水表面。主要使用的方法有化學氣相沉積法、溶膠凝膠法、模版擠出法、光刻蝕法等等。
復旦大學根據荷葉的自清潔原理，在涂層表面形成類似荷葉的凹凸形貌，這種納米涂層既可以使灰塵顆粒附著在涂層表面呈懸空狀態，使水與涂層表面的接觸角大大增加，有利于水珠在涂層表面的滾落，進一步保證堆積或吸附的污染性微粒在風雨的沖刷下脫離涂層表面，達到自清潔效果，已在上海博物館、中央電視臺等項目中獲得示范應用。中科院理化技術研究所成功地研制出一種用于多種材質表面，同時具有抗菌、防霧、防霉、自潔和光催化分解污染物等多重功效的新型光觸媒涂料。這種涂料可在多種場合諸如汽車后視鏡、汽車玻璃、玻璃幕墻、道路交通指示牌、廣告牌、汽車和火車車身上使用，它能使物體表面在較長時間內保持潔凈，顯著減少清洗次數和難度，降低清洗成本和危險性，提高雨雪天氣和寒冷季節的行車安全。
3.2構建潤濕智能響應型表面
特殊潤濕性材料由于其獨特的理化性質，在涂飾、防水和生物醫用材料等領域有很高的潛在利用價值。構建一種智能界面材料，能夠通過外界刺激來方便、精確地調控固體表面潤濕性，使之在超親水和超疏水狀態之間轉換，在材料工程上有重大的意義。
中科院化學研究所的江雷在這方面做了大量的研究。利用熱響應性高分子實現了溫度控制下超親水和超疏水之間的可逆轉換；成功制備紫外光控制下超親水、超疏水可逆轉換的陣列氧化鋅納米結構，實現了仿生的可控超疏水與超親水可逆“開關”納米界面材料的制備。
總的來說，潤濕性，作為材料重要的表面特性之一，已經直接運用到了人們的日常生活中，隨著材料制備工藝和仿生學研究的日益發展，潤濕性的運用前景已經展現在了大家眼前，對于材料表面潤濕性的研究和改性也引起了人們廣泛的興趣，對于材料表面潤濕性的研究在建筑、農業、生物醫學材料等領域都有重要意義。

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