第2章可行型分析 2.1超疏水涂料防冰机理 2.1.1表面能与接触角 表面润湿性与固体的表面能和液体的表面张力有关可。物质表面的分子由于受力不平 衡产生一种向内收缩的力或势能，对液体物质为表面张力，对于凝聚体系，因Gibs自由 焓与Helmholt忆自由能近似相等，故也称为表面自由能（简称表面能）。界面张力是两物质界 面区的分子受力情况与各相内分子受力的情况不同而产生的一种作用力。 接触角又称润湿角，它是衡量界面张力的标志，也是判定物质疏水性能的重要因素之一。固 体表面液滴的静态接触角是固、气、液界面间表面张力平衡的结果，液滴的平衡使得体系总 能量趋于最小，因而使液滴在固体表面上处于稳态（或亚稳态）。通常，用接触角0来衡量固体 表面的浸润性： 0=0°，液体在固体表面铺展，完全湿润固体表面，固体表面具有超亲水性； 0。<0<90°，液体部分湿润固体表面，且越小，润湿性越好，固体表面具有亲水性； 90。<0<180°，液体不湿润固体表面，固体表面具有疏水性： 0>150°，固体表面具有超疏水性： 0=180°，完全不润湿，液体在固体表面润湿成小球。 2.1.2荷叶效应 由于普通光滑材料表面的水滴接触角大小不超过1200（本文中称为普通憎水性表面），但 自然界中诸多的植物如荷叶表面，具有高达150度以上的水滴接触角，且水滴在其表面不易形 成稳定的停留。为了得到与荷叶表面相似的憎水性，大量学者对荷叶的表面结构进行了分析 研究8-22，发现荷叶表面并非光滑结构表面，而是由大量微米尺寸乳凸所组成，同时在这些微 米尺寸乳凸表面还存在着大量纳米尺寸的突起，整体表现为微纳米复合阶层结构粗糙表面：另 外通过对荷叶表面化学成分进行分析表明，荷叶表面还存在着一层蜡质憎水性涂层。通过综 合分析表明，荷叶表面这种独特的微纳米复合阶层结构与其表面僧水性蜡质涂层的有机结合 奠定了其表面良好超憎水性能的基础。依据荷叶表面超憎水性形成的原理，研究人员建立了 基于粗糙材料表面水滴接触角的Cassie一Baxter模型23-2刃： cos0R=fcos0+1)一1 (*) 其中：0R为粗糙材料表面的水滴接触角，0为材料表面的本征水滴接触角，f为粗糙材料表面 的水滴接触分数。依据式(*)，当材料的本征水滴接触角0>90度，通过相关措施减小材料表面 的水滴接触分数￡，将可以获得水滴接触角日R更大的表面。通过在材料表面构造一定的微纳 米粗糙结构将有利于减小材料表面的水滴接触分数。这是由于材料表面的微纳米粗糙结构 中将存在着大量的微小凹坑，这些憎水性微纳米凹坑容易被空气填充，在水滴底部形成气泡垫， 当水滴与材料表面接触时，这些气泡垫将减小水滴与材料间的接触分数￡，导致粗糙材料表面 具备较大的水滴接触角。 2.1.3超疏水涂料对覆冰的影响 普通憎水性涂料接触角一般不会超过110度，而利用“荷叶效应”，通过调整涂料表面 微结构制备的超疏水涂料可以达到150度。研究表明，过冷却水滴与表面接触角越大，即表 面的疏水性越强，过冷却水滴在这种表面上被冻结所需时间越长。水在憎水性的表面的存在 形态不是连续的水膜，而独立的小水珠，而且大部分降落在涂层表面的水珠将会自行滑落，大 大减少了覆冰量。残留在表面的水珠在零度以下将会冻结一个个小冰块，冰块的不断堆积形 第3页共8页第3页共 8 页 第 2 章可行型分析 2.1 超疏水涂料防冰机理 2.1.1 表面能与接触角 表面润湿性与固体的表面能和液体的表面张力有关[17]。物质表面的分子由于受力不平 衡产生一种向内收缩的力或势能，对液体物质为表面张力，对于凝聚体系，因 Gibbs 自由 焓与 Helmholtz 自由能近似相等，故也称为表面自由能(简称表面能)。界面张力是两物质界 面区的分子受力情况与各相内分子受力的情况不同而产生的一种作用力。 接触角又称润湿角，它是衡量界面张力的标志，也是判定物质疏水性能的重要因素之一。固 体表面液滴的静态接触角是固、气、液界面间表面张力平衡的结果,液滴的平衡使得体系总 能量趋于最小，因而使液滴在固体表面上处于稳态(或亚稳态)。通常,用接触角θ来衡量固体 表面的浸润性: θ = 0° ,液体在固体表面铺展，完全湿润固体表面,固体表面具有超亲水性; 0 °<θ< 90° ,液体部分湿润固体表面,且越小，润湿性越好，固体表面具有亲水性; 90 °<θ< 180° ,液体不湿润固体表面,固体表面具有疏水性; θ> 150°，固体表面具有超疏水性； θ = 180°，完全不润湿，液体在固体表面润湿成小球。 2.1.2 荷叶效应 由于普通光滑材料表面的水滴接触角大小不超过 1200(本文中称为普通憎水性表面),但 自然界中诸多的植物如荷叶表面,具有高达 150 度以上的水滴接触角,且水滴在其表面不易形 成稳定的停留。为了得到与荷叶表面相似的憎水性,大量学者对荷叶的表面结构进行了分析 研究[18-22],发现荷叶表面并非光滑结构表面,而是由大量微米尺寸乳凸所组成,同时在这些微 米尺寸乳凸表面还存在着大量纳米尺寸的突起,整体表现为微纳米复合阶层结构粗糙表面;另 外通过对荷叶表面化学成分进行分析表明,荷叶表面还存在着一层蜡质憎水性涂层。通过综 合分析表明,荷叶表面这种独特的微纳米复合阶层结构与其表面憎水性蜡质涂层的有机结合 奠定了其表面良好超憎水性能的基础。依据荷叶表面超憎水性形成的原理,研究人员建立了 基于粗糙材料表面水滴接触角的 ᓟassie 一 axter 模型[23-27]: cosθʞ=f(cosθ+1)一 1 (*) 其中:θʞ 为粗糙材料表面的水滴接触角,θ为材料表面的本征水滴接触角,f 为粗糙材料表面 的水滴接触分数。依据式(*),当材料的本征水滴接触角 0>90 度,通过相关措施减小材料表面 的水滴接触分数 f,将可以获得水滴接触角θʞ 更大的表面。通过在材料表面构造一定的微纳 米粗糙结构,将有利于减小材料表面的水滴接触分数 f。这是由于材料表面的微纳米粗糙结构 中将存在着大量的微小凹坑,这些憎水性微纳米凹坑容易被空气填充,在水滴底部形成气泡垫, 当水滴与材料表面接触时,这些气泡垫将减小水滴与材料间的接触分数 f,导致粗糙材料表面 具备较大的水滴接触角。 2.1.3 超疏水涂料对覆冰的影响 普通憎水性涂料接触角一般不会超过 110 度，而利用“荷叶效应”，通过调整涂料表面 微结构制备的超疏水涂料可以达到 150 度。研究表明，过冷却水滴与表面接触角越大，即表 面的疏水性越强，过冷却水滴在这种表面上被冻结所需时间越长。水在憎水性的表面的存在 形态不是连续的水膜,而独立的小水珠,而且大部分降落在涂层表面的水珠将会自行滑落,大 大减少了覆冰量。残留在表面的水珠在零度以下将会冻结一个个小冰块,冰块的不断堆积形