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荷葉效應——超疏水鍍層制備技術

2017-11-10          瀏覽量:2080

  

大多數金屬因為化學性質較活潑,容易被空氣中的氧氣或者其他腐蝕性介質氧化而發生腐蝕。表面處理是一種廣為應用的防腐蝕方法,能有效提高金屬耐蝕性。近年來國內外學者受到荷葉效應”的啟發,有大量的研究集中于金屬表面超疏水鍍層的制備。

 

什么是荷葉效應?

荷葉效應,荷葉的自潔現象。20世紀70年代,波恩大學的植物學家巴特洛特在研究植物葉子表面時發現,光滑的葉子表面有灰塵,要先清洗才能在顯微鏡下觀察,而荷葉等可以防水的葉子表面卻總是干干凈凈。他們發現,蓮葉表面的特殊結構有自我清潔功能。蓮花出污泥而不染,自古以來就被人們認為是純潔的象征,所以這一自我清潔功能又被稱為“蓮花效應


 

為什么會產生荷葉效應?

1、 接觸角

接觸角又被稱為潤濕角,是衡量界面張力的標志,同時也是判斷物質疏水性能的重要因素。對于固體表面,液滴的靜態接觸角是固、氣、液界面間表面張力平衡的結果,液滴處于平衡狀態時,體系的總能量趨于最小,此時液滴在固體表面上處于穩態或亞穩態。

通常以接觸角θ=90°為標準來判斷液體對固體表面的潤濕程度。把接觸角θ<90°的表面稱為親液表面,而把接觸角θ> 90°的表面稱為疏液表面。通過對實際應用中表面潤濕現象的研究,提出了超疏液和超親液的概念。當接觸角θ<5°,固體表面稱為超親液;當接觸角θ150°,固體表面則稱為超疏液。


 

 

2、微觀表面粗糙度

但是在現實生活中,荷葉、蜻蜓翅膀等、蠅腿等具有荷葉效應效應的表面在微觀上并不是均勻光滑的,甚至可以說所有表面在微觀條件下都是極其粗糙的。具有一定微細凸凹結構的粗糙表面,其真實表面積要比表觀表面積大。從能量的觀點看,/液界面張力和固體表面張力對體系能量的貢獻都可能發生變化,所以將會導致粗糙表面的接觸角異于理想表面的接觸角。

 

   通過大量的研究天然疏水表面發現,本征疏水的表面,具有一定粗糙度后表面的凹槽并不能完全的被液體所填滿,液體僅僅是與表面微結構的最外層相接觸,而微結構的空隙中則截留有大量的空氣。在這種情況下,表觀的固/液接觸實際上是由兩部分構成,一部分為液體與固體表面凸起的部分直接接觸,另外一部分則為液體與表面截留的空氣相接觸(如圖)。具有這樣的表面即可稱為荷葉現象。

 

 

荷葉效應在電鍍中的應用前景

金屬的腐蝕絕大多數為氣--固三相之間的界面反應,液相與固相之間的潤濕性越差,則腐蝕越緩慢。若金屬鍍層具有荷葉效應,鍍層表面與水的親和力將會大大降低,從而起到極優的防腐效果,除此以外還將使鍍層具有優良的自清潔、防淤積的效果。

 

 

超疏水表面的制備方法

人們有感于自然界和生活中各種超疏水現象及其應用,開始了對人工合成超疏水表面的研究。固體表面的表面能和粗糙程度對表面的潤濕性具有決定性的作用,因此構造.超疏水表面所需要解決的問題即為:如何在表面構造出微納米粗糙結構和怎樣在微納米粗糙結構上進行低表面能物質的修飾。己經開發出了多種方法,用來制備超疏水表面,這其中很多方法可能需要特殊的設備、復雜的過程、較長的耗時、昂貴的試劑等,當然也有一些簡單易行的方法。目前,荷葉效應在電鍍領域也有深入的研究,利用納米復合電鍍的手段來拿到效果。

 

實例

Gu等人用溫和的水熱法成功地在鋁片和制備了具有超疏水性能的W03納米結構。

 

 


通過控制與Ag沉積WO3納米結構相關聯的正十二硫醇的吸附/解吸過程,實現超疏水和超親水間的快速可逆轉化。


 

 

 

展望

雖然目前仍處于理論研究階段但超疏水表面的自清潔防生物淤積、低粘附性、高耐蝕性等優異的性能,使其在金屬腐蝕與防腐領域有著廣闊的應用前景。


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