[发明专利]亲水材料表面超疏水功能转换的微结构设计和方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳结构功能表面设计制备技术领域，特指一种设计新结构以实现亲水材料表面超 疏水性能的表面结构设计方法，其适用于具有自洁防污要求并要求表面材料为非涂层材料情况的超 疏水表面结构设计分析。

背景技术

超疏水表面是指使水滴在表面上呈现大接触角(θ＞150°)的表面，由于它具有自洁防污效应， 在工业中具有广泛的应用前景。目前，对疏水材料表面进行超疏水改性的技术已经逐渐应用到工程 中，部分超疏水表面改性技术被用于盛放食品器皿的制备和用于墙体外观的改造中，由于这种改性 技术采用了高分子涂层的方法，对环境造成一定的污染，对人体存在潜在的危害。因此，在工程应 用中，开发出具有自洁防污的非污染型超疏水表面具有重要意义。

一般的超疏水表面都是基于两种理论制备出来的，其中一种是Wenzel理论，一种是Cassie理 论。1936年，Wenzel提出的Wenzel理论认为水滴在粗糙表面上与凹槽部分密切接触，根据表面能 分析和杨氏接触角的定义得到液体处于Wenzel状态的接触角：

cosθ_W＝rcosθ         (1)

其中θ_W是液滴在微结构表面上处于Wenzel状态的接触角，r是微结构表面的粗糙度，指表面的真 实面积与表面的水平投影之比，其取值大于1，θ是形成微结构表面的材料的本征接触角。根据以 上公式，可以看出，水滴在疏水材料(θ＞90°)微结构表面上的接触角比在同种材料的光滑表面上 的接触角大，水滴在亲水表面(θ＜90°)微结构表面上的接触角比在同种材料的光滑表面的接触角 小。这意味着，根据Wenzel理论，采用亲水材料不可能制备出超疏水表面(θ_W＞150°)。1944年， Cassie和Baxer提出了Cassie理论，认为液体与微结构表面接触时在界面上存在固液界面和气液界 面构成的复合界面，液体在表面的凹槽部位与气体接触，只在突起部位与固体接触。根据分析，得 到处于Cassie状态的液滴接触角计算公式为：

cosθ_C＝f(cosθ+1)-1          (2)

其中θ_C表示液体在超疏水表面上处于Cassie接触状态的接触角，f表示液固有效接触面积与表观接 触面积之比(液固接触面积与液体-表面接触部分的投影面积之比)，θ是形成微结构表面的材料的 本征接触角，在该理论的指导下，许多仿生超疏水表面被逐步制备出来。Onda等人首先注意到粗 糙表面超疏水性能，他们分析粗糙表面的实际情况，采用改进的Wenzel公式对超疏水机理进行描 述。此后，超疏水表面的研究取得了很大进展，如国内的江雷课题组提出了系列的超疏水表面制备 方法并研究了超疏水表面的性能。

在已有的超疏水表面中，目前广泛采用疏水材料进行结构改造的方法和在结构表面上进行疏水 材料涂层处理的方法来实现表面的超疏水性能，对亲水材料进行超疏水改性的工作还未见报道。事 实上，液体与亲水材料微结构表面接触的初始阶段的接触状态如图1左端所示，液体在界面张力的 作用下迅速向微结构内部扩展，该过程中保持液面与凹槽壁的接触角θ不变(该角度与本征接触角 相当)，并最终与微结构表面形成Wenzel接触。这与图1右端所示的在疏水材料涂层上的情况不同。 因此，亲水材料表面的超疏水性能难以实现。

总之，在亲水材料上构建超疏水表面在实现非污染型自洁防污中具有重要意义，而由亲水材料 形成的一般微结构表面难以实现超疏水性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种亲水材料超疏水表面微纳结构设计方法，实现广泛材料的超疏水性能 尤其实现非涂层式的超疏水表面改造。

本发明按下述技术方案实现：

一种亲水材料超疏水表面微纳结构设计方法，是：根据超疏水接触角要求计算出微结构突起比 率；同时根据使用条件确定出微结构的最大周期；最后，根据设计的微结构和结构参数验证液体与 微结构表面的接触状态。

上述方法中，所设计的亲水材料超疏水表面的微结构是多边形、圆形以及非规则截面形状等结 构形式的微柱阵列结构，在微柱上布有更小尺度的周期性沟槽(附图2(a))或为T型结构形式(附 图2(b))。