自然界中的超疏水材料的應(yīng)用

超疏水表面被定義為當(dāng)從液固界面到液汽界面測(cè)量時(shí)，使駐留的水滴呈現(xiàn)大于150°的明顯前進(jìn)或后退接觸角的襯底。由于低液滴表面附著力，以低接觸角遲滯和滾脫角為特征，超疏水表面在自清潔、防霧、防污、防腐、抗菌、防結(jié)冰、增強(qiáng)冷凝、能量收集和減阻等方面有許多用途。一般來(lái)說(shuō)，表面能低、涂層一致性高、缺陷少、粗糙度高，水滴的表觀推進(jìn)接觸角大、滯后小、超疏水性強(qiáng)。

由于其超低表面能(≈10 mJ/m2)，全氟或烷基基合成化學(xué)品通常用作保形疏水涂層，以獲得高本構(gòu)接觸角(> 90°)。由于加工成本、材料成本、有機(jī)硅烷和氟化合物排放的毒性和環(huán)境危害，替代疏水涂層已經(jīng)開(kāi)始被大量研究。除了健康和環(huán)境問(wèn)題外，氟碳聚合物的加工既困難又昂貴。因此，尋找這些疏水化學(xué)物質(zhì)的替代品是非常必要的。

在Seyed等人的研究中，開(kāi)發(fā)了兩種疏水和超疏水涂層方法，采用替代的非氟化和非有機(jī)硅烷合成化學(xué)品，基于天然衍生化合物，提出了兩種可替代有機(jī)硅烷基烷基和全氟合成化學(xué)品的環(huán)保、無(wú)毒、廉價(jià)的功能性涂料。

如圖1為納米氧化銅薄膜的合成過(guò)程以及超疏水涂層的接觸角圖像。使用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量所有樣品上≈100 nL液滴的接觸角。在每個(gè)樣品上的五個(gè)點(diǎn)測(cè)量前進(jìn)和后退的接觸角，并取平均值。所有接觸角數(shù)據(jù)采用圖像處理軟件，采用圓擬合方法進(jìn)行分析。

采用機(jī)械磨損法和不同pH條件下對(duì)液相沉積的肉桂酸和肉豆蔻酸樣品進(jìn)行了耐久性測(cè)試。每個(gè)循環(huán)后測(cè)量接觸角，以觀察磨損對(duì)涂層表面的影響。

圖2. 不同濃度(a, c, e)肉桂酸和(b, d, f)肉豆醬酸沉積的硅片、刷鍍Cu和CuO表面上的進(jìn)退接觸角測(cè)量。在最佳濃度為8% wt /vol時(shí)，測(cè)定了肉桂酸涂層(a, e)上的超前接觸角。分別為64.1±5°和154.2±2°，后退接觸角分別為33.6±4°和151±3°。在最佳濃度為4% wt /vol時(shí)，測(cè)定了肉豆蔻酸涂層(b, f)上的超前接觸角。分別為88.4±5°和165±2°，后退接觸角分別為61.6±4°和164±2°。插圖:涂有(a, c, e)肉桂酸和(b, d, f)肉豆蔻酸的每個(gè)表面上后退的液滴形狀的圖像。注意，停留在刷鍍銅表面的液滴處于溫澤爾潤(rùn)濕狀態(tài)，由于對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的釘住，導(dǎo)致明顯的后退角為零

圖2顯示了光滑Si、微結(jié)構(gòu)Cu(拉絲)和納米結(jié)構(gòu)CuO基底上的接觸角隨肉桂酸和肉豆醬酸濃度的變化。光滑硅片上的接觸角(圖2a,b)隨著酸濃度的增加而增加，并且在肉桂酸(≈60°)和肉豆醬酸(≈85°)的固有推進(jìn)接觸角處達(dá)到飽和。在刷鍍銅基底上(圖2c,d)，沉積的液滴呈現(xiàn)Wenzel潤(rùn)濕形態(tài)，對(duì)肉桂酸(≈120°)和肉豆汁酸(≈145°)均形成疏水狀態(tài)。刷鍍Cu表面的Wenzel液滴形貌導(dǎo)致兩種化學(xué)反應(yīng)的接觸線釘住和較低的表觀后退角(≈0°)。

在這項(xiàng)研究中，開(kāi)發(fā)了兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)疏水性或超疏水性，利用液相沉積天然衍生的肉桂酸或肉豆蔻酸。通過(guò)對(duì)沉積濃度、時(shí)間和溫度的詳細(xì)研究，開(kāi)發(fā)了光滑金屬氧化物和金屬氧化物微/納米結(jié)構(gòu)的最佳沉積方法。超疏水氧化銅納米結(jié)構(gòu)表面對(duì)肉桂酸和肉豆蔻酸的明顯推進(jìn)接觸角分別高達(dá)154°和165°，接觸角滯后較小(< 15°)。這項(xiàng)研究為能源和水應(yīng)用的超疏水表面制造提供了一種更安全、更環(huán)保的新途徑。