類荷葉表面結構的超疏水性材料：多孔微球/納米纖維復合薄膜
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
“出淤泥而不染，濯清漣而不妖。”自古以來，荷葉這種“大珠小珠落玉盤”的現象一直受到文人墨客的關注，但這現象背后的原因隨著近現代顯微鏡技術的發展才得到揭秘，見圖1所示。荷葉的超疏水性現象主要得益于多級的微納米結構和材料本身低表面能的屬性。科學家們為了模擬荷葉的乳突多級結構，已經采用了包括模壓、相分離、等離子體氟化和電流體動力學技術等方法，制備了多種具有自清潔功能的超疏水性材料。
圖1. 超疏水的荷葉和表面結構。（A）球形水滴在荷葉表面；（B）荷葉表面的微結構及其（C）電鏡圖像；（D）單個乳突的電鏡圖像。
電流體動力學技術主要包括靜電紡絲和靜電噴霧兩種。聚合物、無機物等材料能通過該技術能方便制備出具有微納米尺度的纖維或顆粒，從而增大材料的比表面積和粗糙度。早在2004年，有研究者（Jiang Lei et al. Angew. Chem. 2004, 116, 4438?4441）基于不同濃度的聚苯乙烯/DMF溶液分別制備出微納米纖維和多孔微球，并比較兩種材料的疏水性（PS，Mw =220000）。與溶液澆注法制備的PS薄膜相比，靜電紡絲纖維的水接觸角較大（95.1±0.3° VS 139.1±1.8°）。聚苯乙烯分子是由脂肪鏈（-CH2-）作為主鏈，苯環作為主鏈的側基，具有一定的疏水性，而靜電紡絲加工后材料的表面纖維拓撲結構則進一步提高了疏水性。隨后將濃度為25 wt%的PS/DMF溶液稀釋至5 wt%并進行靜電噴霧實驗，成功制備出一種表面具有凸起結構的多孔微球，見圖2。多孔微球的直徑為2~7 μm，凸起的直徑在50~70 nm之內。由這種微球覆蓋的表面疏水性更大，水接觸角為162.1±1.0°，這已經高于超疏水性材料的*低水接觸角（150°）。
圖2. 靜電噴霧法PS多孔微球。（A）由多孔微球組成的表面；（B）多孔微球的微觀圖像；（C）水接觸角隨著PS表面結構變化而變大。由于部分多孔微球的密度比水低，微球漂浮在水滴表面上，如箭頭所示。
為了增強多孔微球支架的結構穩定性，研究者稍微提高PS溶液的濃度（7 wt%）并靜電紡絲，得到一種多孔微球/納米纖維復合薄膜。其中，微球間以納米纖維作為紐帶，因此支架的結構穩定性得到提高，其水接觸角為160.4°，如圖3所示。
圖3. 納米纖維/多孔微球復合支架的電鏡圖像與水接觸角。
由電流體動力學技術加工的支架形態主要受到溶液濃度、溶劑性質、電勢和噴嘴/接收板距離的影響。其中，溶液濃度和溶劑對于薄膜形態影響較大。由于表面張力的影響，噴射流傾向于收縮成球來獲得*小表面積。當溶液濃度較高時（20-30 wt%），溶液黏度較大，分子纏結程度較高，在電場拉伸過程中容易成纖并能迅速固化。低濃度溶液（3-5 wt%）的黏度較低，表面張力較大，帶電噴射流傾向于收縮和斷裂而不足以維持穩定的拉伸，所以*終形成微球。多孔微球/納米纖維復合態則是上述兩種形態的中間態，源于濃度為7 wt%的溶液。在這濃度下，帶電噴射流部分傾向于形成微球，部分則拉伸成絲。這種支架由于同時具有微球結構和納米尺寸的突起結構，故增加了支架的表面粗糙度。空氣被表面微納米尺寸結構營造的孔洞所捕獲，而且空氣的水接觸角為180°（空氣與水之間的摩擦力大），因此支架的疏水性變強。這種現象符合了Cassie和Baxter描述的平滑表面水接觸角θ與粗糙表面水接觸角θCB的關系式：
cosθCB = f1×cosθ- f2
其中，f1和f2分別表示固體表面和空氣與水滴接觸的面積分數，規定f1+f2=1。當代入θ = 95.1°和θCB = 160.4°時，求得f2 = 0.934，表明這種納米纖維/多孔支架復合支架表面上捕獲了較多的空氣，因此具有超疏水性能。
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
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