材料表面润湿性及在材料工程中的意义

Mar 02 2015 点击:784

      润湿性是材料表面的重要特性之一,通过静态接触角来表征,影响润湿性的因素主要是材料表面的化学组成和微观结构,主要通过表面修饰和表面微造型来改变材料表面润湿性。润湿性已经直接应用到了生产和生活中,构建超疏水表面和润湿性智能可控表面是现阶段的研究热点,对于建筑、涂饰、生物医学等领域都有重要的意义。

      润湿是自然界中最常见的现象之一,如水滴在玻璃上的铺展,雨滴对泥土的浸润等等。润湿性是材料表面的重要特性之一,并已经成功运用到人类生活的各个方面,例如润滑、粘接、泡沫、防水等。近年来,随着微纳米技术的飞速发展以及仿生学研究的兴起,对于固体表面润湿性的研究越来越引起了人们的重视,具有超疏水表面的金属材料具有自清洁作用,从而提高其抗污染、防腐蚀的能力;而在农药喷雾、机械润滑等方面却又要求液体具有良好的亲水性,所以对于材料表面润湿性的研究在材料工程中具有重要的意义。为了调控材料表面的润湿性,人们通过接枝、涂层、腐蚀等众多方法从化学组成和微观结构两个方面对材料进行了改性,并取得了良好的结果。

1、润湿性

       润湿是指液体与固体接触,使固体表面能下降的现象,常见的润湿现象是固体表面上的气体被液体取代的过程。例如在水干净的玻璃板上铺展,形成了新的固/液界面,取代原有的固/气界面,这个过程的完成与固体和液体的表面性质以及固液分子的相互作用密切相关。

        润湿作用实际上涉及气、液、固三相界面,在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角,以θ表示,通常通过Young方程计算得到,该方程是研究液-固润湿作用的基础。一般来讲,接触角θ的大小是判定润湿性好坏的判据。若θ=0,液体完全润湿固体表面,液体在固体表面铺展;0<θ<90°,液体可润湿固体,且θ越小,润湿性越好;90°<θ<180°,液体不能润湿固体;θ=180°,完全不润湿,液体在固体表面凝聚成小球。

       这是理想表面的情况,并且也没有考虑到重力的影响,然而对于实际表面,多数都是粗糙和不均匀的,还有表面污染的情况,影响接触角的因素变得复杂。可分为材料表面本身的影响和外界环境的因素,而材料组成和结构的因素处于主导地位。

2、润湿性的影响因素

     材料表面的润湿性由表面原子或原子团的性质和密堆积方式所决定,它与内部原子或分子的性质及排列无关。有研究表明,材料表面的润湿性受两方面因素支配:化学组成和微观结构。

      化学组成对润湿性的影响本质上是表面能对润湿性的影响。通过共价键、离子键或金属键等较强作用结合的固体,它们具有高能表面,通过范德瓦尔斯力或(氢键)结合的分子固体,具有低的表面能。而固体的表面能越大,通常越容易被液体润湿,反之亦然,所以无机固体较有机固体和聚合物易被润湿。需要强调的是,从表面化学组成角度考虑,固体表面的润湿性质仅仅取决于表面最外层的原子或原子基团的性质及排列情况。这是人们为适应各种需要能进行表面修饰改变固体润湿性质的一个基础。

       微观结构对于表面润湿性的影响本质上是表面微观几何结构和粗糙度的影响,通常具有至关重要的作用。微观结构对材料表面润湿性的影响,目前已有两种经典理论可以对其进行分析和解释,即Wenzel理论和Cassie理论。粗糙表面与液滴的接触通常有以下两种情况:完全润湿时,液滴填充于粗糙表面上的凹坑,形成“润湿表面”,这种接触形式称为润湿接触;不完全润湿时,液滴不填充于粗糙表面上的凹坑而位于粗糙突起的顶部,形成“复合表面”,这种接触形式称为复合接触。这两种接触形式定义了粗糙表面上液滴的两种润湿模式,即Wenzel模式和Cassic模式,分别对应于wenzel理论和cassie理论。

      荷叶能够“出淤泥而不染”,是因为荷叶表面上具有不易沾水的微米结构的乳突,乳突表面上还有由表面蜡质晶体形成的纳米结构[7];蝴蝶翅膀表面具有疏水性是由于其阔叶型或窄叶型鳞片的覆瓦状排列;水鸟羽毛由于其数百微米长的细羽末端交叉排列数十微米长的尖刺状小羽枝以及表面脂质的共同作用,使其具有超疏水特性。人们对于这些自然现象的研究渐渐发现了固体表面微观结构与润湿性之间的关系。材料表面粗糙度的提高将增强表面疏水性能,表面的微纳米结构的的排列将直接影响水滴在材料表面的运动从而对润湿性造成影响。还有研究表明通过改变材料表面的几何结构,能够实现粗糙表面上两种润湿模式的转变,这也为人们通过表面刻蚀改变固体润湿性提供依据。

3、润湿性在材料工程中的意义

      材料表面润湿性已经大量运用到了在材料工程中,例如:润滑就是利用润滑油对于物件表面的润湿性形成一层保护膜,减小摩擦力的作用,达到润滑的效果;对底材润湿性好的涂料能够更好的粘接和铺展;各种防水材料也是利用了材料表

面的疏水性等等。现在随着人类科学技术的迅猛发展和生活水平的日益提高,各行业对材料结构和性能的要求越来越高。借助于材料表面微造型及表面修饰,来控制材料表面的润湿性能,从而实现材料表面防水、自清洁、润滑等能力,就能够很好地改善材料的综合使用性能,从而提高材料的使用价值。

3.1构建超疏水表面

      超疏水表面在自清洁材料,微流体和无损液体传输等很多领域都有广泛的应用前景,另外还可以用来防雪、抗氧化、防止电流传导等,在工农生产和人们的日常生活都具有极其广阔的应用前景。制备超疏水表面的方法主要分为两类:一类是在固体表面修饰低表面能物质降低其表面能,从而达到超疏水的效果。另一类是在固体表面构建微米或/和纳米粗糙结构形成超疏水表面。主要使用的方法有化学气相沉积法、溶胶凝胶法、模版挤出法、光刻蚀法等等。

      复旦大学根据荷叶的自清洁原理,在涂层表面形成类似荷叶的凹凸形貌,这种纳米涂层既可以使灰尘颗粒附着在涂层表面呈悬空状态,使水与涂层表面的接触角大大增加,有利于水珠在涂层表面的滚落,进一步保证堆积或吸附的污染性微粒在风雨的冲刷下脱离涂层表面,达到自清洁效果,已在上海博物馆、中央电视台等项目中获得示范应用。中科院理化技术研究所成功地研制出一种用于多种材质表面,同时具有抗菌、防雾、防霉、自洁和光催化分解污染物等多重功效的新型光触媒涂料。这种涂料可在多种场合诸如汽车后视镜、汽车玻璃、玻璃幕墙、道路交通指示牌、广告牌、汽车和火车车身上使用,它能使物体表面在较长时间内保持洁净,显著减少清洗次数和难度,降低清洗成本和危险性,提高雨雪天气和寒冷季节的行车安全。

3.2构建润湿智能响应型表面

      特殊润湿性材料由于其独特的理化性质,在涂饰、防水和生物医用材料等领域有很高的潜在利用价值。构建一种智能界面材料,能够通过外界刺激来方便、精确地调控固体表面润湿性,使之在超亲水和超疏水状态之间转换,在材料工程上有重大的意义。

这种多响应材料在药物运输、传感器和微流体开关等方面将会有广阔的应用前景。

      中科院化学研究所的江雷在这方面做了大量的研究。利用热响应性高分子实现了温度控制下超亲水和超疏水之间的可逆转换;成功制备紫外光控制下超亲水、超疏水可逆转换的阵列氧化锌纳米结构,实现了仿生的可控超疏水与超亲水可逆“开关”纳米界面材料的制备。

      总的来说,润湿性,作为材料重要的表面特性之一,已经直接运用到了人们的日常生活中,随着材料制备工艺和仿生学研究的日益发展,润湿性的运用前景已经展现在了大家眼前,对于材料表面润湿性的研究和改性也引起了人们广泛的兴趣,对于材料表面润湿性的研究在建筑、农业、生物医学材料等领域都有重要意义。

来自《慧聪表面处理网》