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超疏水表面的理論基礎

文章出處:廣州聯莊科技有限公司 人氣:-發表時間:2019-04-23

超疏水材料是指材料表面與水的接觸角大于150°的材料。超疏水材料的特性最早是在荷葉表面發現的,水滴可以在荷葉表面自由滾動,超疏水表面賦予了荷葉自清潔功能,從而達到“出淤泥而不染”的效果。目前,通過對超疏水表面的結構研究發現其表面都具有微納米復合結構以及低表面能的物質,兩者的協同效應導致材料表現出優異的疏水性。隨著研究的不斷深入,超疏水表面在建筑防水中的應用也越來越受到人們的關注。

 

超疏水表面的理論基礎

 

潤濕性是材料表面的一項重要特性,通常用接觸角來描述。當水與材料表面接觸角小于90°時,材料表面親水;當水與材料表面接觸角大于90°時,材料表面疏水;當接觸角大于150°時,材料表面為超疏水表面。

 

早在1805年,T?Young就提出了理想、光滑、惰性表面的Young方程:

 

cosθe=(γSG-γSL/γLG

 超疏水表面的理論基礎

 

其中,γSG、γSL和γLG分別為固氣、固液和液氣界面間的表面張力,θe為固體表面的本征接觸角??梢钥闯?,固體表面的潤濕性受三相界面的共同影響。

 

然而,實際應用的材料表面并不能夠達到Young方程所要求的理想狀態,總會存在粗糙結構。因此,必須考慮表面粗糙結構對于潤濕性的影響。

 

Wenzel引入了表面粗糙度概念,假定液體填滿微結構表面的凹槽,則粗糙表面的表觀接觸角θ與光滑表面的本征接觸角θe之間有如下關系:

 

cosθ=r?(γSG-γSL/γLG=r?cosθe

 

 

定義r為材料表面的粗糙度因子,為實際接觸面積與表觀接觸面積之比,r1。對于疏水表面,90°<θe180°,cosθe0。因此, cosθ<cosθe,即θe<θ。對于親水表面,0°<θe90°,cosθe0。因此cosθ>cosθe,即θe>θ??梢钥闯鲈黾硬牧媳砻娲植诙?,可以使得親水表面更加親水,疏水表面更加疏水。

 

CassieBaxter研究認為液體與固體表面的接觸是一種復合接觸,疏水表面的液滴不能填滿粗糙表面的凹槽,存在空氣墊。因此存在如下關系式:

 

cosθ=fs1+cosθe-1

 

其中,fs為復合接觸中固液接觸面積所占的比例??梢钥闯?,對于粗糙的固體表面,空氣墊部分所占的比例越大,固液接觸面積越小,材料的疏水性越高。對于高度粗糙的固體表面,fs0,cosθ→-1,θ→180°。

 

 

此文關鍵詞:超疏水表面的理論基礎

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