一種基于彎月面受限局部電鍍的超疏水表面的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1]本發(fā)明涉及超疏水表面的制備方法，特別是一種基于彎月面受限局部電鍍的超疏水表面的制備方法。
[0002]主要是通過彎月面效應(yīng)和電鍍工藝來實(shí)現(xiàn)超疏水表面微納結(jié)構(gòu)頂端親水而側(cè)壁疏水這一新穎特性。利用該方法形成的超疏水表面較其它超疏水表面氣體層更加持久，適合于長期水下使用。
【背景技術(shù)】
[0003]通常將與水接觸角小于90°的固體表面稱為親水表面，大于90°的固體表面為疏水表面；特別地，與水接觸角大于150°的表面稱為超疏水表面。超疏水表面一般具有低表面能，或者具有一些參差不齊的微納結(jié)構(gòu)。這種的超疏水表面在我的日常生活中隨處可見，比如荷葉效應(yīng)，參見 Cheng Y T，Rodak D E，Wong C A，et al.Effects of micro_02andnano-structures on the self-cleaning behav1ur of lotus leaves[J].Nanotechnology，2006, 17 (5): 1359-1362、玫瑰花瓣效應(yīng)，參見 Yeh K Y，Cho K H，Yeh Y H，PromraksaA，Huang C H，Hsu C C and Chen L J, Observat1n of the rose petal effect oversingle-and dual-scale roughness surfaces[J].Nanotechnology, 2014(25), 345303和人厭槐葉萍效應(yīng)，參見 Barthlott W，Schi_el T，Wiersch S，et al.The salviniaparadox:superhydrophobic surfaces with hydrophilic pins for air retent1n underwater.[J].Advanced Materials，2010, 22 (21): 2325 - 2328。荷葉表面與水有較大的接觸角，但是容易滑落。玫瑰花瓣不但與水有較大的接觸角，還有很大的接觸滯后膠，正因?yàn)橛休^大的前進(jìn)角和后退角差，玫瑰花瓣才得以將水珠釘在表面上，以至于不易滑落。人厭槐葉萍具有微納雙層尺寸結(jié)構(gòu)。在它的結(jié)構(gòu)底端，是疏水性的微米結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)頂端是親水性的納米結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺槔卫蔚慕o抓取住，是一種更加穩(wěn)定的狀態(tài)。
[0004]通常超疏水表面常用的制備方法有溶膠凝膠法，參見Sousa C，RodriguesD,Oliveira R，et al.Superhydrophobic poly (L-lactic acid)surface as potentialbacterial colonizat1n substrate [J].Amb Express，2011，1、方定涂法，參見 ErbilΗ Y,Demirel A L,AvciY, et al.Transformat1n of a simple plastic into asuperhydrophobic surface.[J].Science，2003, 299 (5611): 1377-1380、氣相沉積法、激光 / 離子束 / 化學(xué)刻蝕，參見 Du K，Wathuthanthri I，Liu Y Y，Kang Y T and ChoiC H，F(xiàn)abricat1n of polymer nanowires via maskless 02 plasma etching[J].Nanotechnology 2014 (25)，165301、光刻法、化學(xué)腐蝕法、光電化學(xué)刻蝕，參見Sun G，ZhaoX, Kim C J.Fabricat1n ofVery-High-Aspect-Rat1 Microstructures in ComplexPatterns by Photoelectrochemical Etching[J].Journal of MicroelectromechanicalSystems，2012,21 (6):1504-1512、沉積法、電鍍法，參見 Sun G，Hur J，Zhao X，etal.High yield dense array of very-high-aspect-rat1 micro metal posts byphoto-electrochemical etching of silicon and electroplating with vacuumdegassing[C]//Proceedings of the IEEE Internat1nal Conference on Micro ElectroMechanical Systems(MEMS).2010:340-343 以及電紡絲法，參見 Ochanda F 0，Samaha MA,Tafreshi Η V, et al.Salinity effects on the degree of hydrophobicity andlongevity for superhydrophobic fibrous coatings[J].Journal of Applied PolymerScience, 2012, 124(6):5021 - 5026等。在現(xiàn)有的仿生制備結(jié)果中，大部分都是實(shí)現(xiàn)荷葉超疏水表面結(jié)構(gòu)，很少有工程能夠?qū)崿F(xiàn)玫瑰花瓣效應(yīng)，像人厭槐葉萍表面的這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，幾乎用工程技術(shù)是很難實(shí)現(xiàn)的。
[0005]目前，超疏水表面接觸角和接觸滯后角存在一個(gè)相對立的問題，參見Chang, Feng-Ming, Hong, Siang-Jie, Sheng, Yu-Jane, et al.High contact angle hysteresisof superhydrophobic surfaces:Hydrophobic defects[J].Applied Physics Letters，2009, 95(6):064102-064102-3。如果一個(gè)物體表面具有一個(gè)較大的靜態(tài)接觸角，那么它的前進(jìn)角和后退角之差接近于零，也就是接觸滯后角非常小。相比之下，如果一個(gè)物體表面的靜態(tài)接觸角比較小，那么它的前進(jìn)角與后退角大小會有一定的差距，這意味著接觸角滯后角比較大。拿荷葉表面和玫瑰花瓣表面來舉例，在荷葉表面上，靜態(tài)接觸角比較大，但是滯后角比較小，因而荷葉上的水珠容易滑落；玫瑰花瓣表面的靜態(tài)接觸角比荷葉表面的靜態(tài)接觸角小一些，但是玫瑰花瓣滯后角大，因而水珠仿佛被表面釘住一樣，不易滑落。所以，如何同時(shí)得到一個(gè)較大的靜態(tài)接觸角和接觸滯后角，是我們目前所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0006]超疏水表面受到了大家普遍的關(guān)注，是因?yàn)樗梢詰?yīng)用到各行各業(yè)，比如:自清潔的玻璃和衣服、水下防銹防腐保護(hù)、水下減阻，參見Park H，Sun G，and Kim CJ.Superhydrophobic turbulent drag reduct1n as a funct1n of surface gratingparameters [J].Journal of Fluid Mechanics 05/2014 ;747:722-734、傳熱等。
[0007]接觸角有Wenzel和Cassie兩個(gè)狀態(tài)，Wenzel狀態(tài)下，固體液體充分接觸，接觸面積達(dá)到最大值，所受到的摩擦力也是最大的。而Cassie狀態(tài)下，彎月面將固體與液體隔開，減小了固液接觸面積，相應(yīng)地所受到的摩擦力變小。這種特性充分應(yīng)用于水下減阻。在這個(gè)減阻應(yīng)用中，彎月面的穩(wěn)定性起著決定性作用，參見:1) Xu M，Sun G，Kim C J.1nfinitelifetime of underwater superhydrophobic states.[J].Physical Review Letters, 2014, 113(13):136103-136103 ；2)Shirtcliffe N J,McHalea G, Newton Μ I, Perry CC, Pyatt F B.Plastron Properties of a Superhydrophobic Surface[J].Appl.Phys.Lett.89artl04106(2006)〇
[0008]隨著時(shí)間的增加，彎月面會變得不穩(wěn)定，接觸角會從Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變成Wenzel狀態(tài)，有些設(shè)備裝置可以觀察到狀態(tài)轉(zhuǎn)變的動態(tài)圖，參見Xu M，Sun G，Kim C J C J.Wettingdynamics study of underwater superhydrophobic surfaces through directmeniscus visualizat1n[C]//Micro Electro Mechanical Systems(MEMS), 2014 IEEE27thInternat1nal Conference on.1EEE,2014:668-671。
[0009]目前所存在的一些問題有:超疏水表面無法長時(shí)間使用、氣體丟失、氣體層不穩(wěn)定等，這些問題都是彎月面不能夠長久穩(wěn)定的支撐液體導(dǎo)致的。本發(fā)明中，我們提出了一種新穎的超疏水表面制備方法，能夠有效的改善彎