超疏水亲油性材料研究的进展

2022-09-11

固体物质表面具有浸润性能, 这种性能是由物质表面的化学组成和微观几何结构决定的。目前对固体物质表面具有特殊浸润性能材料的研究层出不穷, 如何调控固体材料表面结构使其具有特殊浸润性, 特别是使材料具有超疏水性能的研究备受科学家们关注。所谓超疏水性是指物质表面与水的接触角大于150O, 而与油类液体接触角非常小。可是因为油状液体拥有很低的表面张力, 超疏水性材料的表面对于油状物的低表面很难保持较高的疏水性, 故很难达到要求的效果。由于这一特性致使超疏水材料在应用中受到很大的阻碍, 故对超疏水性表面的研究已经成为相关领域关注的热点[1]。

目前关于疏水表面的研究方向以下四种:一是利用无机物或者在其他物质表面制备出具有超疏水性能表面物质。如利用特殊的改性技术改性织物或固体表面, 制备出疏水性物质;二是研究利用自然界中具有超疏水表面的植物和动物, 利用其天然进化而成的超疏水表面结构开发具有超疏水性的新型材料。如高雪峰[2]等人对包括荷叶、蝉翼、水稻叶、水黾腿的研究, 成功制得了超疏水性能材料, 该材料具有较高的自清洁表面能力, 拥有滚动各向异性表面、高黏附性超疏水表面等特殊性能;三是利用高分子材料制备出具有超疏水性的材料表面, 如陈兴隆[3]等人利用表面亲油纳米二氧化硅改变岩石表面润湿性的研究。四是相关方面的理论研究, 主要是利用构建模型等手段, 来研究探讨表面结构状况和接触角或者滚动角之间的关系。

1. 制备方法

超疏水亲油表面是一种特殊的固体, 这种现象也比较特殊。理论上有以下两种制备途径:一种是利用化学手段, 在粗糙的物质的表面进行相关修饰, 用以改变物质的疏水性能, 达到使物质表面具有超疏水性的目的;另一种是在疏水表面构建粗糙结构。目前有较多成熟的制备超疏水技术, 如超疏水仿生材料法、化学物质修饰法、液相法等, 在此对这几种的方法加以简单的评述。

1.1 超疏水仿生材料

该方法是利用自然界中具有超疏水表面的植物或动物得出灵感而制备出超疏水性表面膜, 最成功的是根据荷叶的天然自洁能力得出的灵感, Jiang[4]等人利用聚苯乙烯为原料, 再添加一定量的溶剂之后, 制备出与荷叶具有相似功能的疏水性材料。科学家还通过对蝉、水黾、水稻叶子等天然对疏水动植物进行研究, 期望通过探索天然超疏水生物表面的奥秘用以制备出人工仿生的超疏水表面, 该方法需要对生物进行透彻研究, 需要了解物质的物理结构, 化学结构, 将宏观物质微观化, 且建立明确的体系与数学模型, 故给该方面的研究增加很大难度, 但是由于前面研究的发现, 该方法又具有很大的研究价值和意义。

1.2 化学物质修饰法

该方法是利用低表面能物质 (如十二烷基硫醇、全硅氟烷) 等物质对固体表面进行修饰, 使其具有超疏水性能。如张亚南[5]等人利用简单的热解法, 制备出具有纳米结构的大面积碳膜, 然后再在膜表面利用氟硅烷进行表面修饰, 制备出了大面积的超疏水纳米材料。这种化学修饰法操作简单可行, 反应条件要求不高, 设备简单常见, 而且制备出的材料可以重复使用, 成本较低, 故易于投入规模生产, 有利于工业化。

1.3 液相法

该法是利用溶液胶-凝胶法制备薄膜时, 利用热处理、沸水处理、脂肪酸修饰等方法制备出具有超疏水性能的薄膜。该方法不仅能够使物质表面具有超疏水性, 而且在一定条件下, 如在真空紫外光照和暗室保存的循环作用下, 可以使物质表面在超疏水/超亲水性能间的相互逆转变等效果。该方法不仅能改变膜的疏水性能, 而且能通过利用不同的反应条件, 能对纳米膜表面的形貌、轴方向、结构进行不一样的改性, 这种方法有望在微流体器件上进行广泛的应用。