材料表界面.pptx

1 材料表面与界面材料表面与界面材料表面与界面材料表面与界面胡福增主编主编2v管涌：表界面基础知识、高分子材料的表面改性和表征，表界面基础知识、高分子材料的表面改性和表征，约约10课时；（课时；（实验一楼实验一楼309，64253343，)v危大福：表面活性剂、复合材料界面，约表面活性剂、复合材料界面，约8课时；课时；v杨云霞：无机非金属材料，无机非金属材料，6课时；课时；v朱以华：纳米材料，纳米材料，4课时；课时；v张琰：生物材料，生物材料，4课时。课时。共计32课时。课程安排课程安排3研究生课程学习的特点研究生课程学习的特点:学和用的转换学和用的转换4为什么要学材料表界面？v材料科学、信息科学和生命科学材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术是当前新技术革命中的三大前沿科学，材料的表界面在材料革命中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科学中有重要的地位。科学中有重要的地位。v材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。关。5表界面研究的重要性分分 类类表、界面现象表、界面现象作为表面活性剂材料制造的产品肥皂和洗涤剂（表面活性剂）乳化剂和稳定剂、灭草剂和杀虫剂,织物软化剂表、界面现象的直接应用润滑、黏接、泡沫、湿润和防水复合材料的偶联剂天然和合成材料的纯化和/或改性三次采油、烧结生理与医学应用呼吸、关节润滑、液体输运中的毛细现象、动脉硬化纳米材料比表面积急剧增加，表面原子数目增多，特殊的表面效应6187518751878 1878 Gibbs Gibbs 定律；奠定了表界面科学的基础定律；奠定了表界面科学的基础191319131942 1942 Langmuir Langmuir 的贡献；（的贡献；（获获19321932年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖）(蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）2020世纪世纪4040年代前年代前 表面化学成果大量应用生产表面化学成果大量应用生产；5050年代，年代，微型化、微型化、ITIT发展促进表面化学发展；发展促进表面化学发展；6060年代，年代，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展；由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展；20072007年，年，格哈德格哈德埃特尔埃特尔,成功描述了在表面发生的化学反应细节，成功描述了在表面发生的化学反应细节，并以此方法为现代表面化学奠定了基础。获诺贝尔化学奖。并以此方法为现代表面化学奠定了基础。获诺贝尔化学奖。表界面科学发展简史表界面科学发展简史7JanusJanuaryIn1991,Pierre-GillesdeGennesmentionedthetermJanusparticleinhisNobellecture8表界面是由一个相到另一个相的过渡区域表界面是由一个相到另一个相的过渡区域。若其中一若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（相为气体，这种界面通常称为表面（surface)。表界面区的结构、能量、表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯组成等都呈现连续的梯度变化，相与相之间没度变化，相与相之间没有截然的分界面。有截然的分界面。1 1、表界面的定义表界面的定义(surface，interface，interphase)AB什么是表界面？什么是表界面？9（1）气）气-液界面液界面 表界面通常有五类：气表界面通常有五类：气-液界面（表面），气液界面（表面），气-固界面固界面（表面），液（表面），液-液界面，液液界面，液-固界面，固固界面，固-固界面。固界面。10（2）气）气-固界面固界面11（3）液）液-液界面液界面12（4）液）液-固界面固界面13（5）固）固-固界面固界面14材料表界面的形成1.机械作用界面机械作用界面切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等2.化学作用界面化学作用界面反应，粘接，氧化，腐蚀等反应，粘接，氧化，腐蚀等3.固体结合界面固体结合界面真空，加热，加压，界面扩散等真空，加热，加压，界面扩散等4.液相或气相沉积界面液相或气相沉积界面5.凝固共生界面凝固共生界面6.粉末冶金界面粉末冶金界面热压，热锻，烧结，热喷涂等热压，热锻，烧结，热喷涂等7.粘结界面粘结界面无机或有机粘结剂粘结两固体无机或有机粘结剂粘结两固体8.熔焊界面熔焊界面固体表面形成熔体，凝固而成固体表面形成熔体，凝固而成15第第1章章表界面基础知识表界面基础知识16表面张力和表面自由能表面张力和表面自由能1.1.表面层分子与内部分子表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不相比，它们所处的环境不同。同。2.2.气液表面的分子净受到指气液表面的分子净受到指向液体内部的力；表面张力向液体内部的力；表面张力本质是分子间相互作用本质是分子间相互作用3.从液体内部将分子移到表从液体内部将分子移到表面要克服分子间引力而做功，面要克服分子间引力而做功，使系统自由焓增加；使系统自由焓增加；17定义：定义：外力外力F F与液膜边缘的长与液膜边缘的长度成正比，比例常数与液体表度成正比，比例常数与液体表面特性有关，以面特性有关，以表示表示 ，称，称为表面张力：为表面张力：式中，式中，L为液膜边缘长度，因为液膜有两面故取系数为液膜边缘长度，因为液膜有两面故取系数2。表面张力是单位长度上的作用力，单位是表面张力是单位长度上的作用力，单位是N/m，它是反抗表面扩，它是反抗表面扩大的一种收缩力，使系统具有最小的表面积。大的一种收缩力，使系统具有最小的表面积。18在上图中，设在在上图中，设在F F力作用下金属丝移动力作用下金属丝移动dxdx的距离，的距离，则所作的功为：则所作的功为：v但但2L*dx2L*dx等于液膜的面积增量等于液膜的面积增量dA,dA,所以所以:v将上式改写成如下形式：将上式改写成如下形式：19对于球面对于球面 在附加压力p的作用下，半径减小dr，表面能的变化为：压差所作功为：1.3 1.3 Laplace方程方程201.3 1.3 Laplace方程方程1.1.附加压力与表面张力成正比，与曲率半径成反比附加压力与表面张力成正比，与曲率半径成反比2.2.凸液面，液滴的曲率半径凸液面，液滴的曲率半径r r为正，为正，P P为正，附加压力指向液体内部，为正，附加压力指向液体内部，r r越小，越小，P P越大；越大；3.3.平液面，平液面，r r趋向无穷大，趋向无穷大，P P为零，跨越平液面不存在压力差；为零，跨越平液面不存在压力差；4.4.凹液面，凹液面，r r为负，为负，P P为负，附加压力指向空气。为负，附加压力指向空气。达到平衡时：达到平衡时：21对于任意曲面对于任意曲面如果将该曲面由如果将该曲面由ABCD向外推移一向外推移一个小小的距离个小小的距离dz 成成ABCD,其面其面积变化为：积变化为：形成这部分新表面积做的功为：形成这部分新表面积做的功为：1.3 1.3 Laplace方程方程22 当曲面向外位移当曲面向外位移dz时，作用在时，作用在xy面积上的面积上的压差压差p做功为：做功为：由相似三角形原理由相似三角形原理1.3Laplace方程方程23达到平衡时达到平衡时，W1=W2,即即：化简后得：化简后得：上式上式Laplace 方程的一般形式，方程的一般形式，是表面化学的基本定律之一。是表面化学的基本定律之一。注：（1）若：r1r2r，则曲面为球面，回到（215）式；（2）若：r1r2无穷大，则液面为平面，压差为0。1.3 1.3 Laplace方程方程241.4.1 1.4.1 毛细管法毛细管法当液体完全浸润毛细管壁时当液体完全浸润毛细管壁时由Laplace方程可得：若定义h为凹月面底部距平液面的高度，则压差p应等于毛细管内液柱的静压强，即 为气液两相的密度差为气液两相的密度差1.4液体表面张力的测定液体表面张力的测定25对于该式对于该式:两个前提两个前提:1.1.小直径毛细管小直径毛细管2.2.液体与毛细管完全或完全不浸润液体与毛细管完全或完全不浸润1.4液体表面张力的测定液体表面张力的测定26当液体与管壁接触角介于0-180之间，若弯月面仍为球面，则有：完全浸润，接触角为完全浸润，接触角为0，cos1；完全不浸润，接触角完全不浸润，接触角为为180，cos-11.4液体表面张力的测定液体表面张力的测定27v上面的推导过程可发现如下问题（1）对凹月面看作为球面的近似处理；）对凹月面看作为球面的近似处理；（2）只有在凹月面的最低一点毛细上升高度才是）只有在凹月面的最低一点毛细上升高度才是h，在其他各点上，毛细上升高度都大于，在其他各点上，毛细上升高度都大于h。必须考虑对以上两个偏差作修正。必须考虑对以上两个偏差作修正。1.4液体表面张力的测定液体表面张力的测定28修正方法之一是修正方法之一是Rayleigh提出的级数近似法提出的级数近似法式中第一项是基本的式中第一项是基本的Laplace方程，第二项是考虑方程，第二项是考虑弯月面液体质量的修正，其余各项是对偏离球形弯月面液体质量的修正，其余各项是对偏离球形的修正的修正1.4液体表面张力的测定液体表面张力的测定29例：例：25，101.325kPa下将直径为1m的毛细管插入水中，问需要外加多大的压力才能防止水面上升？（已知25时水的表面张力为71.9710-3N*m-1)1.4液体表面张力的测定液体表面张力的测定301.4.2滴重法滴重法18641864年，年，Tate Tate 提出液滴质量提出液滴质量mgmg与表与表面张力的关系：面张力的关系：在恒温的条件下，使管端缓慢形成的在恒温的条件下，使管端缓慢形成的液滴滴入杯中，在收集到适量的液体液滴滴入杯中，在收集到适量的液体后称重其质量，由此精确地测得每滴后称重其质量，由此精确地测得每滴液重。液重。1.4液体表面张力的测定液体表面张力的测定31Harkins引入修正系数f并且得出，f是液滴体积V的函数。使用时r/v1/3范围最好在0.6-1.2以内，因为该区间f之变化最为缓慢，结果也更加精确。液滴落下过程的快速摄影图液滴落下过程的快速摄影图1.4液体表面张力的测定液体表面张力的测定32vWilkenson等用实验数据拟合得到下面的经验方程等用实验数据拟合得到下面的经验方程v上式是用于上式是用于0.3（r/v1/3)1.2的区间。的区间。v吴树森与王飞鸿则提出下面的经验方程：吴树森与王飞鸿则提出下面的经验方程：上式的适用于上式的适用于0.058（r/v1/3)0;凹液面，凹液面，r01.5Kelvin公式公式35上式即为上式即为KelvinKelvin公式，是表面化学的基本公式之一。公式，是表面化学的基本公式之一。KelvinKelvin公式表明，凸液滴的半径越小，其蒸汽压越大公式表明，凸液滴的半径越小，其蒸汽压越大;凹液滴的半径越小凹液滴的半径越小,其蒸汽压越小。其蒸汽压越小。v应用应用Kelvin公式可以解释一些现象公式可以解释一些现象v1、人工降雨、人工降雨v2、过冷水、过冷水v3、过热液体、过热液体v4、过饱和液体、过饱和液体1.5Kelvin公式公式36v溶液的表面张力溶液的表面张力液体的表面张力不仅与温度、压力有关，也液体的表面张力不仅与温度、压力有关，也与组成有关。在水溶液中与组成有关。在水溶液中,表面张力随组成的表面张力随组成的变化规律一般有三种比较典型的类型。变化规律一般有三种比较典型的类型。1.6二元体系的表面张力二元体系的表面张力37表面张力随溶质浓度增表面张力随溶质浓度增加成直线关系增加加成直线关系增加.一般强电解质的水溶液，如一般强电解质的水溶液，如Na2SO4，KOH，NH4Cl，KNO3等无机盐以及蔗糖，等无机盐以及蔗糖，甘露醇等多羟基有机物具有甘露醇等多羟基有机物具有类似的图形。类似的图形。1.1.第一类物质第一类物质Vanderwalls力由色散力、诱导力、偶极力、氢键色散力、诱导力、偶极力、氢键等分量组成，其中色散力是分子键的非极性相互作用引起的，诱导力、偶极力、氢键等都与分子间的极性相互作用有关1.6二元体系的表面张力二元体系的表面张力38 表面张力随溶质浓表面张力随溶质浓度增加而减小度增加而减小.如醇、醛、酸、酮与胺如醇、醛、酸、酮与胺等有机物。等有机物。降低表面降低表面张力能力与烃链长度有张力能力与烃链长度有关，碳氢链越长，其降关，碳氢链越长，其降低表面张力能力越强。低表面张力能力越强。2.2.第二类物质第二类物质脂肪酸水溶液的脂肪酸水溶液的-C关系关系1.6二元体系的表面张力二元体系的表面张力39在稀溶液中各种脂肪酸的表面张力下降值与其浓度成正比：Traube规则：在同系物中，每增加一个亚甲基-CH2-,值增大3倍欲使表面张力降低，或减少浓度，或增加亚甲基数。1.6二元体系的表面张力二元体系的表面张力40其特点是加入少量这类物质其特点是加入少量这类物质可显著降低溶液的表面张可显著降低溶液的表面张力。至一定浓度后表面张力。至一定浓度后表面张力不再有明显变化。力不再有明显变化。8 8碳以上的直链有机碱金属碳以上的直链有机碱金属盐，高碳直链磺酸盐，硫盐，高碳直链磺酸盐，硫酸盐，苯磺酸盐等表面活酸盐，苯磺酸盐等表面活性基的水溶液性基的水溶液3.3.第三类物质第三类物质十二烷基硫酸钠的十二烷基硫酸钠的-c图图1.6二元体系的表面张力二元体系的表面张力41vGibbs以热力学方法导出了关联溶液表面张力与溶液浓度的微分以热力学方法导出了关联溶液表面张力与溶液浓度的微分方程式，这就是著名的方程式，这就是著名的Gibbs吸附等温式。吸附等温式。v如果如果1 12 2为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为表面超量。为表面超量。v若若1 12 2为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，叫做为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，叫做表面亏量。表面亏量。1.7Gibbs吸附等温式吸附等温式421.7Gibbs吸附等温式吸附等温式43 对丁酸溶液，-c曲线的斜率为负值，c2为正值，所以12随溶液溶质浓度c2的增加而增大，对NaCl溶液，表面张力与浓度曲线斜率为正值，12为负值，12随溶质浓度c2增加而减小1.7Gibbs吸附等温式吸附等温式44讨论讨论:分子在两相界面上的定向排列分子在两相界面上的定向排列（1）当浓度很小时2和C2呈直线关系（2）当浓度增加时成曲线关系（3）当浓度足够大时，出现表面超量的极限值，即吸附量不再增加，吸附已达到饱和。1.7Gibbs吸附等温式吸附等温式45v为饱和吸附量，与本体浓度无关，也和碳氢链长短无关为饱和吸附量，与本体浓度无关，也和碳氢链长短无关。v可以想象，饱和吸附时，表面活性物质一定是定向排列的：可以想象，饱和吸附时，表面活性物质一定是定向排列的：羧基向水，烷基链向空气，只有这样，单位表面上吸附的分羧基向水，烷基链向空气，只有这样，单位表面上吸附的分子数才与碳链长度无关。子数才与碳链长度无关。1.7Gibbs吸附等温式吸附等温式v由于表面活性物质在表面层的浓由于表面活性物质在表面层的浓度比内部的浓度大得多，因此度比内部的浓度大得多，因此可可看作是单位表面的吸附量，由此还看作是单位表面的吸附量，由此还可计算紧密排列时每个分子占据的可计算紧密排列时每个分子占据的截面积。截面积。46接触角接触角：在三相交界处自固在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角，以液界面的夹角叫接触角，以表示。表示。（1）=0，完全润湿，液体在固 体表面铺展。（2）090，液体可润湿固体，且越小，润湿越好。（3）90180,液体不润湿固体。（4）=180，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。1.8润湿现象润湿现象（液固表面）（液固表面）47Young方程方程力学方法推导力学方法推导1.8润湿现象润湿现象（液固表面）（液固表面）注：推导中，忽略了重力的影响，也未考虑注：推导中，忽略了重力的影响，也未考虑LG的垂直分力的垂直分力 481.8.2 1.8.2 粘附功和内聚能粘附功和内聚能1.8润湿现象润湿现象（液固表面）（液固表面）在这一过程中，外界所做在这一过程中，外界所做的功的功Wa为为:Wa是将结合在一起的两相是将结合在一起的两相分离成独立的两相外界所分离成独立的两相外界所做的功，称作做的功，称作粘附功粘附功。49均相物质的分离均相物质的分离1.8润湿现象润湿现象（液固表面）（液固表面）若将均相物质分离成两部若将均相物质分离成两部分，产生两个新界面，则分，产生两个新界面，则前式中，前式中，=，=0。则：。则：Wc称作内聚功或内聚能，称作内聚功或内聚能，物体的内聚能越大，将其物体的内聚能越大，将其分离产生新表面所需的功分离产生新表面所需的功也越大。也越大。50Young-Dupre公式公式对固液界面，粘附功：对固液界面，粘附功：WSL=S+L-SL考虑到与气相平衡考虑到与气相平衡WSL=SG+LG-SLYoungYoung方程：方程：1.8润湿现象润湿现象（液固表面）（液固表面）51上式称为上式称为Young-DupreYoung-Dupre方程，它将固方程，它将固-液液之间的粘附功与接触角联系起来之间的粘附功与接触角联系起来。1.8润湿现象润湿现象（液固表面）（液固表面）52上式如果上式如果=0，则，则:也即粘附功等于液体的内聚功，固也即粘附功等于液体的内聚功，固-液分子间的吸引力等于液分子间的吸引力等于液体分子与液体分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。液体分子与液体分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。如果如果=180液液-固分子之间没有吸引力，分开固固分子之间没有吸引力，分开固-液界面不需做功。此时液界面不需做功。此时固体完全不为液体润湿固体完全不为液体润湿1.8润湿现象润湿现象（液固表面）（液固表面）531.停滴法停滴法1.8接触角的测试方法接触角的测试方法54将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h h和和2r2r，由简单几何分析求出，由简单几何分析求出：1.8接触角的测试方法接触角的测试方法55接触角测定仪接触角测定仪仪器结构主要由光源、工作台、底座、放大镜、滴液仪器结构主要由光源、工作台、底座、放大镜、滴液器等部分组成器等部分组成 1.8接触角的测试方法接触角的测试方法562.2.吊片法吊片法将表面光滑、均匀的固体薄片垂将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升。湿此固体，则将沿薄片平面上升。升高值升高值 h h 与接触角与接触角 之间的关之间的关系为系为:1.8接触角的测试方法接触角的测试方法573.3.电子天平法电子天平法1.8接触角的测试方法接触角的测试方法58如果液体完全润湿纤维，则：如果液体完全润湿纤维，则：如果液体与纤维之间的接触角为如果液体与纤维之间的接触角为，则有：，则有：v若纤维的半径若纤维的半径r和液体表面张力和液体表面张力L L已知，则用电子已知，则用电子天平法测出天平法测出P后，由上式可求出接触角后，由上式可求出接触角。1.8接触角的测试方法接触角的测试方法59测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角界面张力和界面接触角的测试界面张力和界面接触角的测试1.8接触角的测试方法接触角的测试方法60若完全浸润（如采用铂丝）若完全浸润（如采用铂丝）P=2rL1/L2若若界界面面张张力力L1L2已已知知，液液体体与与纤纤维维之之间间存存在在接接触触角角L1/L2，则：，则：P=2r P=2rL1L2L1L2coscosL1/L2L1/L2 因因此此，测测定定P可可求求出出纤纤维维在在L1/L2界界面面的的接接触触角角L1/L2。1.8接触角的测试方法接触角的测试方法61电子天平法的局限性电子天平法的局限性对仪器精密度要求高，操作难度大；对仪器精密度要求高，操作难度大；测试的是单根纤维，误差大。测试的是单根纤维，误差大。以对水完全润湿的以对水完全润湿的r r2020微米的纤维为例微米的纤维为例：1.8接触角的测试方法接触角的测试方法62用纤维束测接触角示意图用纤维束测接触角示意图以一束纤维代以一束纤维代替一根纤维替一根纤维在塑料管中充填一束纤维，在塑料管中充填一束纤维，充填率充填率=0.470.53。使纤。使纤维束与液面接触，因毛细维束与液面接触，因毛细现象，液体沿着纤维间空现象，液体沿着纤维间空隙上升，用电子天平测出隙上升，用电子天平测出增重量增重量m随浸润时间变化随浸润时间变化 1.8接触角的测试方法接触角的测试方法631.8接触角的测试方法接触角的测试方法64充填率充填率=0.470.53v以以m2t作作图图，可可得得直直线线。该该直直线线的的斜斜率率即即为为上式中上式中t的系数。由斜率即可求出接触角的系数。由斜率即可求出接触角。1.8接触角的测试方法接触角的测试方法65接枝改性丙纶的接触角接枝改性丙纶的接触角66前进角和后退角前进角和后退角前进角前进角a最大前进角最大前进角a,max后退角后退角r最小后退角最小后退角r,min在在理想光滑理想光滑、组成均匀组成均匀的表面上的的表面上的平衡平衡接触角就是接触角就是Young氏角。许多氏角。许多实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现象。低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现象。1.9接触角的滞后现象接触角的滞后现象67引起接触角滞后的原因：引起接触角滞后的原因：v固体表面的粗糙度固体表面的粗糙度v固体表面的不均匀性和多相性固体表面的不均匀性和多相性v固体表面的污染固体表面的污染1.9接触角的滞后现象接触角的滞后现象在在理想光滑理想光滑、组成均匀组成均匀的表面上的的表面上的平衡平衡接触角就是接触角就是Young氏角。许多氏角。许多实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现象。低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现象。68粗糙度的影响粗糙度的影响-荷叶效应与超疏水表面荷叶效应与超疏水表面超疏水材料是近年来表面润湿性研究领域的一个热点。荷叶、鳞翅目昆虫的翅膀以及水黾的毛腿等表面存在特殊的微观几何结构，其表面与水滴的平均接触角可以达到160度以上，水滴很容易滚落，这种超疏水现象常称为荷叶效应。粗糙度对浸润性有显著粗糙度对浸润性有显著影响。例如，光滑的聚影响。例如，光滑的聚乙烯醇表面，水的接触乙烯醇表面，水的接触角只有角只有72度；而增加一度；而增加一定粗糙度后的聚乙烯醇定粗糙度后的聚乙烯醇纳米纤维薄膜表面的接纳米纤维薄膜表面的接触角可达触角可达171度。度。69粗糙度的影响粗糙度的影响-荷叶效应与超疏水表面荷叶效应与超疏水表面荷叶表面蜡质层本征接触角只有荷叶表面蜡质层本征接触角只有7474，但是荷，但是荷叶接触角却超过了叶接触角却超过了150150。荷叶表面上有许多微小的突起，平均大小约为荷叶表面上有许多微小的突起，平均大小约为10微米，间距约微米，间距约12微米。而每个突起有许多直微米。而每个突起有许多直径为径为200纳米左右的绒毛，这样就在紧贴叶面纳米左右的绒毛，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上能同叶面上“山包山包”的凸顶形成几个点接触。的凸顶形成几个点接触。植物叶面的这种复杂的超微纳米结构，不仅有植物叶面的这种复杂的超微纳米结构，不仅有利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。更重的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。更重要的是，可以提高叶面吸收阳光的效率。要的是，可以提高叶面吸收阳光的效率。70水黾，通过其腿部独特的微纳米复合阶层结构水黾，通过其腿部独特的微纳米复合阶层结构实现超疏水和高表面张力实现超疏水和高表面张力粗糙度的影响粗糙度的影响-超疏水的水黾腿超疏水的水黾腿71实际固体表面并不是理想光滑的，都具有一定的粗糙度，液体不会充满固体表面的沟槽，液体和固体沟槽之间存在气泡，从而形成气液固复合接触表面,使得杨氏方程并不完全适用Cassie 模型模型粗糙度的影响粗糙度的影响-荷叶效应与超疏水表面荷叶效应与超疏水表面研究发现，表面几何结构的改变可以导致液滴从研究发现，表面几何结构的改变可以导致液滴从Wenzel润湿向润湿向Cassie润湿转变润湿转变.c为表面接触角，为表面接触角，s s 为固液接触面积占总接为固液接触面积占总接触面积的百分数。触面积的百分数。72粗糙度的影响粗糙度的影响-荷叶效应与超疏水表面荷叶效应与超疏水表面荷叶效应的应用荷叶效应的应用基于基于“荷叶效应荷叶效应”的涂料的涂料问世，在越来越多的建筑问世，在越来越多的建筑中得到了应用。中得到了应用。“荷叶效荷叶效应应”这个词的英文这个词的英文“LotusEffect”甚至被注册成了商甚至被注册成了商标。标。右图是效果图，水滴滚过右图是效果图，水滴滚过的地方，脏东西被带走，的地方，脏东西被带走，留下了干燥清洁的表面。留下了干燥清洁的表面。超疏水材料应用前景广泛：超疏水材料应用前景广泛：远洋轮船，可以达到防污、远洋轮船，可以达到防污、防腐的效果；防腐的效果；石油管道的输送；石油管道的输送；室外天线上，可以防积雪；室外天线上，可以防积雪；防水和防污处理，防水和防污处理，73v固体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同决定。固体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同决定。v超疏水性表面可以通过两种方法制备：超疏水性表面可以通过两种方法制备：.表面修饰低表面能物质；表面修饰低表面能物质；低表面自由能物质如含硅、含氟可以得到疏水的效果。.构筑微纳米结构的粗糙表面。构筑微纳米结构的粗糙表面。如何获得疏水如何获得疏水/超疏水表面？超疏水表面？74v在表面具有纳米或微亚米孔的基板上，制造粗糙表层。在表面具有纳米或微亚米孔的基板上，制造粗糙表层。例如：以多孔阳极氧化铝为模板，将其放在聚碳酸酯例如：以多孔阳极氧化铝为模板，将其放在聚碳酸酯(PC)熔体上，熔体上，热压，待熔体渗透后，冷却，然后用热压，待熔体渗透后，冷却，然后用NaOH溶液除去模板，最终得溶液除去模板，最终得到到PC纳米柱阵列表面，在亲水的纳米柱阵列表面，在亲水的PC上得到疏水的上得到疏水的PCPC表面表面 。(1)模模板板法法模板横切面模板横切面模板纵切面模板纵切面PC纳米柱阵列纳米柱阵列75v利用原位复合技术，在疏水性材料中引入纳米或微利用原位复合技术，在疏水性材料中引入纳米或微纳米粒径的粒子，改变涂层表面形貌，提高涂层的纳米粒径的粒子，改变涂层表面形貌，提高涂层的疏水性能。疏水性能。例如：用平均粒径例如：用平均粒径 5 5 nm的的TiO2纳米粒子，分散在全氟聚纳米粒子，分散在全氟聚合物组分中，表面粗糙和低表面张力的结果，导致涂层合物组分中，表面粗糙和低表面张力的结果，导致涂层表面具有超疏水性表面具有超疏水性 。（2）粒子填充法）粒子填充法76v除化学结构以外，表面形貌特别是微观几何，也是决定超除化学结构以外，表面形貌特别是微观几何，也是决定超疏水行为的关键因素。疏水行为的关键因素。v但是，尚无统一的理论或简易可行的处理方法，推测最优但是，尚无统一的理论或简易可行的处理方法，推测最优的微观几何结构。这已成为超疏水表面理论研究的微观几何结构。这已成为超疏水表面理论研究,特别是几特别是几何设计的一个核心问题，也是解决超疏水表面实际制备与何设计的一个核心问题，也是解决超疏水表面实际制备与应用的瓶颈。应用的瓶颈。小结小结77v调控方法调控方法-热化学法热化学法利用温敏性聚合物在水溶液中具有最低临界溶液温度利用温敏性聚合物在水溶液中具有最低临界溶液温度(LCST)，因，因此在水溶液中的溶解性会发生变化的特性在高于较低此在水溶液中的溶解性会发生变化的特性在高于较低I临界溶液临界溶液温度时，聚合物变得不溶于水溶液，呈现疏水性；而在低于较低温度时，聚合物变得不溶于水溶液，呈现疏水性；而在低于较低临界溶液温度时，聚合物在水溶液因发生溶胀而变得亲水。临界溶液温度时，聚合物在水溶液因发生溶胀而变得亲水。2.0润湿性可控的智能表面润湿性可控的智能表面聚异丙基聚异丙基丙烯酰胺丙烯酰胺这类利用热化学法实现的可控润湿性表面，这类利用热化学法实现的可控润湿性表面，在功能纺织品、智能微流开关、可控药物释在功能纺织品、智能微流开关、可控药物释放以及温敏过滤器等领域有着重要应用前景放以及温敏过滤器等领域有着重要应用前景但是用这种方法得到的表面润湿性转化的但是用这种方法得到的表面润湿性转化的效率受环境温度的影响，效率受环境温度的影响，并且其润湿性转化并且其润湿性转化响应速度较为缓慢，响应速度较为缓慢，通常需要十分钟左右的通常需要十分钟左右的响应时间响应时间78v调控方法调控方法-电润湿法电润湿法在静电力的作用下，在静电力的作用下，材料表面的分子排列发生变化，材料表面的分子排列发生变化，导致导致表面自由能增大，表面自由能增大，从而提高材料表面亲水性；或者为其表面从而提高材料表面亲水性；或者为其表面提供电荷引力来降低带电荷液体在其表面的接触角。提供电荷引力来降低带电荷液体在其表面的接触角。2.0润湿性可控的智能表面润湿性可控的智能表面Langer用低密度单层自组装的方法在金基底上修饰带有球形端基的用低密度单层自组装的方法在金基底上修饰带有球形端基的(16硫硫基基)十六酸十六酸(MHA)酯类衍生物，酯类衍生物，然后水解酯基产生羧基负离子，然后水解酯基产生羧基负离子，得到了在电势得到了在电势作用下润湿性可控的表面作用下润湿性可控的表面在正电势的作用下，在正电势的作用下，带负电荷的羧基对金基底产生带负电荷的羧基对金基底产生强烈的吸引力而向下弯曲，强烈的吸引力而向下弯曲，使疏水链暴露在表面呈现出疏水性；在负电势的作用使疏水链暴露在表面呈现出疏水性；在负电势的作用下，下，羧基因受到电荷斥力而牵动分子链直立在基底上，羧基因受到电荷斥力而牵动分子链直立在基底上，使分子链中的亲水基团使分子链中的亲水基团暴露在表面，暴露在表面，从而使表面呈现亲水性从而使表面呈现亲水性79v调控方法调控方法光致表面化学反应法光致表面化学反应法使用具有光致敏感特性的有机或无机材料，在不同频率光的刺使用具有光致敏感特性的有机或无机材料，在不同频率光的刺激下发生相应的化学变化从而引起表面自由能变化激下发生相应的化学变化从而引起表面自由能变化。偶氮苯、。偶氮苯、螺旋吡喃和肉桂酸酯等的衍生物是常用的有机光敏类材料。这螺旋吡喃和肉桂酸酯等的衍生物是常用的有机光敏类材料。这类有机物分子在不同波长光的刺激下发生分子结构的可逆变化，类有机物分子在不同波长光的刺激下发生分子结构的可逆变化，从而导致材料的宏观表面自由能发生可逆转化。从而导致材料的宏观表面自由能发生可逆转化。2.0润湿性可控的智能表面润湿性可控的智能表面螺旋吡喃螺旋吡喃80v调控方法调控方法光致表面化学反应法光致表面化学反应法使用具有光致敏感特性的有机或无机材料，在不同频率光的刺使用具有光致敏感特性的有机或无机材料，在不同频率光的刺激下发生相应的化学变化从而引起表面自由能变化激下发生相应的化学变化从而引起表面自由能变化。偶氮苯、。偶氮苯、螺旋吡喃和肉桂酸酯等的衍生物是常用的有机光敏类材料。这螺旋吡喃和肉桂酸酯等的衍生物是常用的有机光敏类材料。这类有机物分子在不同波长光的刺激下发生分子结构的可逆变化，类有机物分子在不同波长光的刺激下发生分子结构的可逆变化，从而导致材料的宏观表面自由能发生可逆转化。从而导致材料的宏观表面自由能发生可逆转化。2.0润湿性可控的智能表面润湿性可控的智能表面81v其它调控方法其它调控方法v溶剂法：溶剂法：在基底上接枝润湿性相反的聚合物刷，利用不同溶剂在基底上接枝润湿性相反的聚合物刷，利用不同溶剂对表面不同成分的选择性溶胀引起表面形貌和表层组分的变对表面不同成分的选择性溶胀引起表面形貌和表层组分的变化，达到改变材料表面自由能和润湿性的目的。化，达到改变材料表面自由能和润湿性的目的。vpH值法：值法：通过材料表面羧基官能团的质子化和去质子化过程通过材料表面羧基官能团的质子化和去质子化过程实现。实现。v电化学法电化学法:通过电化学掺杂通过电化学掺杂(氧化氧化)和去掺杂和去掺杂(还原还原)使材料在氧使材料在氧化态与还原态之间转变，化态与还原态之间转变，改变材料的表面自由能，改变材料的表面自由能，从而实现从而实现表面润湿性的可逆转化。表面润湿性的可逆转化。v多重刺激法：多重刺激法：将上述综合使用，如将上述综合使用，如pH/热双重响应的聚丙烯酸热双重响应的聚丙烯酸/聚异丙烯酰胺共聚物刷。聚异丙烯酰胺共聚物刷。2.0润湿性可控的智能表面润湿性可控的智能表面82v小结：小结：v可控润湿性智能表面的研究正在受到越来越广泛的关可控润湿性智能表面的研究正在受到越来越广泛的关注。注。v现有润湿性可控智能表面由于寿命较短、机械耐磨性现有润湿性可控智能表面由于寿命较短、机械耐磨性差和成本昂贵而无法满足大面积推广应用的要求。差和成本昂贵而无法满足大面积推广应用的要求。v现有可控润湿性智能表面的研究主要为单刺激响应的现有可控润湿性智能表面的研究主要为单刺激响应的表面，表面，无法满足双重或多重刺激响应的特殊领域应无法满足双重或多重刺激响应的特殊领域应用要求。用要求。2.0润湿性可控的智能表面润湿性可控的智能表面83v固体表面的吸附性固体表面的吸附性2.固体表面的吸附现象固体表面的吸附现象固体表面具有吸附其他物质的能力。固体表面具有吸附其他物质的能力。如果被吸附物质深入到固体体相中，则如果被吸附物质深入到固体体相中，则 称为吸收（称为吸收（absorption）。）。根据吸附力的本质，可将固体表面的吸根据吸附力的本质，可将固体表面的吸附作用区分物理吸附和化学吸附。附作用区分物理吸附和化学吸附。（adsorption）842.固体表面的吸附现象固体表面的吸附现象85定义单位质量的吸附剂具有的表面积为比表面积：定义单位质量的吸附剂具有的表面积为比表面积：v其中其中A0为物质的比表面积（为物质的比表面积（m2/g),A为物质的总表面积为物质的总表面积（m2),W为物质的质量（为物质的质量（g)。比表面积是物质分散程度的一。比表面积是物质分散程度的一种表征方法。种表征方法。v提高固体比表面积从而提高固体的吸附能力的另一种方法是提高固体比表面积从而提高固体的吸附能力的另一种方法是使固体具有许多内部空隙，即具有多孔性使固体具有许多内部空隙，即具有多孔性2.固体表面的吸附现象固体表面的吸附现象86吸附等温线吸附等温线固体表面的吸附气体的能力，可用单位质量吸附剂固体表面的吸附气体的能力，可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示，即：所吸附气体的量或体积来表示，即：式中式中q q和和q q为吸附量，为吸附量，x x为被吸附气体的量，为被吸附气体的量，v v为被吸附气体的体积，为被吸附气体的体积，m m为吸附剂的质量。为吸附剂的质量。2.固体表面的吸附现象固体表面的吸附现象87平衡时吸附量平衡时吸附量q q取决于温度取决于温度T T和气体的压力和气体的压力P P0 0即：即：q=f(T,p)恒温下，恒温下，q=f(p),称为吸附等温式；称为吸附等温式；恒压下，恒压下，q=f(T),称为吸附等压式；称为吸附等压式；恒恒q下，下，p=f(q),称为吸附等量式；称为吸附等量式；2.