超疏水纳米复合涂层制备与研究开题报告

1. 研究目的与意义

在道德经中，老子曾经说过：“人法地，地法天，天法道，道法自然”，它的含义就是说万事万物都有其运行法则，都必须遵守客观规律，都必须尊重自然。自然界中的生命已然已经通过了近四十多亿年的进化，逐步完成了智能操作的所有过程，无论是从简单的单细胞生物进化为复杂的多细胞动物，还是从猿进化到人，大自然无处不在向我们展示着它惊人的力量。人们也对大自然中存在的很多现象给予了较多的关注，受到了大自然较多的启迪。而自然界中的荷叶表面的自清洁和水黾浮水所体现的超疏水现象就是其中之一，超疏水表面日益成为人们关注的焦点之一，也日益成为表面研究领域的热点之一。

超疏水现象在自然界中可以说是大量存在，诸如“荷叶效应”^[1]，即将一水滴滴在荷叶表面上，该水滴会从荷叶的表面迅速地滚落而不会停留、粘附在荷叶表面的现象。荷叶自身是不会沾水的，主要是因为荷叶的表面具有一定粗糙程度的微观形貌还有具有疏水性的表皮蜡。这种特殊的结构有助于锁住空气，进而防止水渗透表面、润湿表面。水滴会在荷叶上形成一个近似球形的形状^[2]，而不是完全地铺展开来，像这样的表面，即所谓的“超疏水表面”^[3]。诸如这种超疏水表面，不仅可以有效地防止污水污染，而且附着在表面的灰尘、杂质等都会被其带走。从某一角度来说，其超疏水现象形成的原因是荷叶的表面存在微米级的乳突，并且其单个乳突上还存在纳米级结构，由此形成了微-纳米双层复合结构^[4]。除此之外，同样具有超疏水性功能的生物还有蜻蜓的翅膀、水稻叶的表面、水黾的腿部^[5]等等，它们所表现出的超疏水现象同样是因为表面具有特殊的微-纳双层粗糙结构。目前来看，人工制备超疏水表面主要有以下两个途径^[6]：一种方法是通过改变疏水性材料的表面粗糙度，构造一定的粗糙结构，使得表面具有超疏水性，从而获得超疏水表面；另一种方法则是在具有一定程度的粗糙度的表面上，通过用表面自由能低的物质进行修饰，从而获得具有超疏水性的表面。

润湿性是指固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象^[7]，固体表面的润湿性可以用接触角θ的大小来衡量，接触角是指在固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角。（如图 1所示）

图1.固体表面液滴的接触角示意图

润湿性是固体表面的重要性质之一，通常是用液体在固体表面的接触角来表征^[8]。超疏水（憎水）表面理论的主要内容是固体表面对水的接触角大于150 °且滚动角小于10 °^[9]。而人们对超疏水表面的认识，主要来自植物叶——荷叶表面的“自清洁”现象。比如，水珠可以在荷叶的表面滚来滚去，即使在上面浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。荷叶这种出污泥而不染的特性被称作“自清洁”效应。由于超疏水表面与水滴的接触面积非常小，因而水滴能够从表面迅速滚落，所以，超疏水表面不仅具有自清洁的作用，而且还具有防水^[10]、防雾、防冰雪^[11]、防腐蚀、防霜冻^[12]、防黏附、防污染等功能，因而在建筑领域、服装纺织领域、生物医学领域、交通运输领域以及军事领域等都具有广泛的应用前景。

目前，超疏水表面主要有两种理论模型——wenzel模型与cassie—baxter模型^[13]。两种模型分别描述了水滴是否渗入表面微结构时粗糙度对疏水性质的影响。两类超疏水表面可以具有较大的静态接触角却可以表现出完全不同的性质不同的是水滴在固体表面如果处于wenzel态则会表面出较大粘附力。而水滴在固体表面如果处于cassie—baxter态则同时具备较小的滚动角。处于cassie—baxter态的超疏水表面称之为稳定的超疏水表面（荷叶效应），目前对超疏水现象的研究的目的是制备具有稳定超疏水性的仿生表面^[14]。（一）防水性如果固体表面是稳定的超疏水表面，则水滴在该表面上的静态接触角大于150 °，同时滚动角小于10 °。较大的静态接触角意味着水滴在固体表面上的接触面积相对缩小，较小的滚动角意味着只要表面稍微倾斜水滴便会从固体表面上滑落，即使固体表面存在d、fl、裂缝等间隙，超疏水表面球形水滴叶不会沿着间隙渗入固体内部^[15]。缩小的水滴与固体接触面积以及水滴极易从固体表面上滑落可以有效的隔绝固体表面与水的接触，因此制备具有超疏水表面的高压电网可有效减缓冬季覆冰危害^[16]。水滴不会沿着间隙渗入固体内部则可解决防锈漆因存在小孔、裂缝等问题引起的腐蚀，因此超疏水表面可以增强防锈漆的防氧化抗腐蚀能力^[17]。（二）自清洁类似荷叶的超疏水表面具有自清洁的特殊性质，这也是荷叶能够“出淤泥而不染”成为东方文化象征的原因。超疏水表面特殊的微结构使得污染物附着力降低，水滴在超疏水表面较小的滚动角使得雨水极易发生滚动并且带走污染物，使得表面保持干净，因此在高层摩天大楼玻璃表面制备超疏水表面，可以减少维护清洁的成本^[18]。（三）减小流体阻力 cassie—baxter模型中，表面微结构中驻留大量空气是超疏水表面形成的原因，即水与超疏水表面的实际接触面是由液—固界面与液一气界面两种界面组成的^[19]。超疏水表面在流体中发生相对运动时，液一气界面的摩擦系数远远小于液—固界面的摩擦系数，因此超疏水表面在流体中运动的摩擦阻力会减小实现减小流体阻力的目的。制备超疏水表面的水管或者输油管道，减小流体在管道中运动的摩擦阻力，有望降低远程流体管道运输的成本，同时超疏水表面可以降低舰船的流体阻力，节约能源消耗^[20]。

所需要制备的透明超疏水涂层具有之前所述的超疏水表面的性质，因而其也具有较为广泛的应用范围。透明超疏水涂层将其潜在的应用范围扩展到光学领域，如汽车的挡风玻璃，太阳能电池板，护目镜和电子设备的窗口等等^[21]。首先透明超疏水涂层可以用于玻璃的表面，将其制成自清洁、防污性的玻璃，如此便可以应用在汽车的挡风玻璃上，在天气阴湿的情况下或者在潮湿的环境中都可以保持一定的透明性，维持一定的可见度。除此之外，还可以减少污染物诸如灰尘等的污染，从而可以在阴雨天驾驶时，增加人们在驾驶过程中的清晰度，提高驾驶过程中的安全系数，保障人们在驾驶过程中的生命安全，从而减少交通事故的发生。其次透明超疏水涂层还可以用于制成微量注射器的针尖,从而可以避免较为昂贵的药品粘附在针尖上，进而减少浪费，此外也能避免针尖受到药品的污染。再次还可以把透明超疏水涂层应用在高楼大厦的窗户玻璃和玻璃幕墙上，玻璃表面的污染物质比如灰尘、杂质等等，都可以通过雨水的冲刷被带走，进而减少人工清洗的次数，不仅减少了公司、企业的成本，而且避免了工人们高空作业的危险。另外，这样的自清洁性涂层表面自由能较低，在一定程度上避免了或减少了水汽、冷雾、冰雪等其他污染物附着在固体表面，因此这种透明的自清洁性涂层也可以应用在航空、航天等领域^[22]。不仅如此，超疏水透明涂层在日常生活中以及在军事领域中也都扮演着重要的角色，例如可以将其应用于近视镜、激光防护镜、望远镜及各种的相机镜头、各种机械的观察窗、潜水镜、浴室玻璃、化学或生物防护面具、太阳能电池板、玻璃罩、温室的玻璃墙等等^[23]。正是因为透明超疏水涂层的应用价值巨大，所以它受到了越来越多的关注与研究。目前制备超疏水涂层的实验方法有很多，主要的有以下几种：旋涂法、模板法、化学气相沉积法、自组装法、溶胶-凝胶法、激光刻蚀法等等^[24]。

超疏水表面研究领域是典型的多学科交叉领域。虽然疏水理论在很早以前就已经获得，但是直到20世纪末荷叶表面微结构的发现才开始受到关注。超疏水表面的研究在目前来说是一个快速发展的研究领域，每年发表的相关文献数目在快速增长，超疏水表面理论、性质、制备、应用等得到了广泛而深入的研究。目前超疏水表面理论依然有待完善，制备工艺有待进一步提高并有效降低成本，制备表面的耐磨损等性质也同样有待提高。在当下的社会环境下，由于日益严重的雾霾情况、日益严重的环境污染情况、日益减少的绿林植被等，使得资源节约型、环境友好型的产品备受人们的喜爱与青睐。因此，研究、开发并利用至关重要。自清洁超疏水涂层符合人们绿色消费的观念，也贴合低碳环保的宗旨，因而会是将来的热门产品。一旦超疏水表面制备取得突破性成果，有望在未来建筑领域、服装纺织领域、生物医学领域、交通运输领域以及军事领域等取得广泛性的应用，前景一片光明。

尽管在过去的几十年里，关于制备超疏水材料的报道很多，前景光明，但是真正应用于生产的超疏水材料却很少。这是由于制备超疏水表面的方法一般繁琐，耗材昂贵，不利于大规模生产。此外，大多数超疏水表面的耐磨性较差，表面粗糙结构很容易被破坏，严重影响表面的疏水性。本课题首先将气化二氧化硅材料表面进行改性，然后制备出超疏水纳米复合涂层，并对其性能进行检测和研究，为制备高性能超疏水纳米复合涂层奠定基础。

2. 研究内容和预期目标

2.1 主要研究内容

主要研究内容是测量所制备超疏水纳米复合涂层的接触角，探究二氧化硅、聚苯乙烯和硅烷偶联剂（巯基丙基三甲氧基硅烷）的加入量对接触角及其他性能的影响，其他性能例如附着力、硬度、耐水性等。在此过程中，采用控制变量的方法：①控制聚苯乙烯和硅烷偶联剂的加入量不变，探究二氧化硅的加入量对接触角、附着力、硬度耐水性等的影响。②控制二氧化硅和硅烷偶联剂的加入量不变，探究聚苯乙烯的加入量对接触角、附着力、硬度耐水性等的影响。③控制二氧化硅和聚苯乙烯的加入量不变，探究硅烷偶联剂的加入量对接触角、附着力、硬度、耐水性等的影响。

2.2 预期目标

3. 研究的方法与步骤

3.1 拟采用的研究方法：旋涂法

3.2 拟采用的步骤

3.2.1方案一：

①制备聚苯乙烯。反应在氮气保护下进行。先量取100 ml二次蒸馏水加入250 ml圆底三口烧瓶中，依次加入6 g苯乙烯单体、甲基丙烯酸（用量不同，做多组实验）。电磁搅拌，控制适宜的搅拌速度，加热使油浴升温至75 ℃，体系中加入引发剂0.1 g过硫酸钾，在此反应温度下持续反应6 h,降温至室温停止反应，制得聚苯乙烯乳液。

4. 参考文献

[2]高雪峰，江雷.天然超疏水生物表面研究的新进展[j].物理，2006，35：559-564.

[3]郭春芳．超疏水性材料的研究现状及应用[j].材料研究与应用，2010,4(3)：161-163．

[4]张诗妍,高常锐,狄桓宇.霸王鞭和麒麟掌叶片的表面微结构及超疏水性[j].高等学校化学学报, 2012, 33 (3): 564-568.

5. 计划与进度安排

（1）2022.12.19-2022.12.30：查阅文献资料，撰写开题报告；

（2）2022.01.02-2022.01.13：设计实验步骤及工艺；

（3）2022.02.20-2022.04.15：完成相关实验；

（4）2022.04.16-2022.05.15：结构表征及性能测试；