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超疏水性

超疏水性

超疏水性物质,如荷叶,具有极难被水沾湿的表面,其水在其表面的接触角超过150°,滑动角小于20°。

理论

气体环绕的固体表面的液滴。接触角θC,是由液体在三相(液体、固体、气体)交点处的夹角。

1805年,托马斯·杨通过分析作用在由气体环绕的固体表面的液滴的力而确定了接触角θ。

气体环绕的固体表面的液滴,形成接触角θ。如果液体与固体表面微结构的凹凸面直接接触,则此液滴处于Wenzel状态;而如果液体只是与微结构的凸面接触,则此液滴处于Cassie-Baxter状态。

其中 = 固体和气体之间的表面张力 = 固体和液体之间的表面张力 = 液体和气体之间的表面张力 θ可以用接触角测量计来测量。

Wenzel确定了当液体直接接触微结构化的表面时,θ角会转变为θW *

cosθW * = rcosθ 其中,r为实际面积与投影面积的比率。Wenzel的方程显示了微结构化一个表面将会放大表面张力。疏水性表面(具有大于90°的接触角)在微结构化之后会变得更加疏水,其新的接触角将比原来增大。然而,一个亲水性表面(具有小于90°的接触角)在微结构化之后却会变得更加亲水,其新的接触角将比原来减小。

Cassie和Baxter发现如果液体悬浮在微结构表面,θ角将会变为θCB *

cosθCB * = φ(cos θ + 1) – 1 其中,φ为固体与液体接触面积的比例。在Cassie-Baxter状态下的液体比Wenzel状态下更具有运动性。

通过用以上两个方程计算出的新接触角,我们可以预测Wenzel状态或Cassie-Baxter状态是否应该存在。由于有自由能最小化的限制,预测出具有更小的新接触角的状态就会更可能存在。从数学上来说,要使Cassie-Baxter状态存在,以下的不等式必须成立。

cos θ < (φ-1)/(r - φ) 提出的一个判断Cassie-Baxter状态是否存在的替代标准是:1)接触线力克服液滴未被支撑部分的重力;2)微结构足够高从而阻止液滴接触微结构的基底(即凹面)。

接触角是静态测量疏水性的方法,接触角滞后和滑动角则对疏水性的动态测量法。接触角滞后是一种鉴定表面异质性的现象。当移液器将液体注到固体表面时,液体就会形成一定的接触角。随着注入液体的增加,液滴的体积会随之增加,接触角也会变大,但三相边界会保持固定直到液体突然溢出。在液体溢出前瞬间的接触角被称为前进接触角。回退接触角可以通过将液体从液滴中吸出来测量。随着液体被吸出,液滴的体积减小,接触角也减小,但三相边界同样保持固定直到被完全吸回。在液体被吸回瞬间的接触角被称为回退接触角。而前进接触角和回退接触角之间的差异就是接触角滞后,它被用来鉴定表面的异质性、粗糙性和运动性。非同质的表面会有能够阻碍接触线的区域。滑动角是另一种动态测量疏水性的方法:在固体表面放置一个液点,倾斜表面知道液滴开始滑动,此时的倾斜角即为滑动角。处于Cassie-Baxter状态的液滴通常会表现出比Wenzel状态更小的滑动角和接触角滞后。

研究和应用

纳米纤维表面的水珠

许多在自然界中找到的超疏水性物质都遵循Cassie定律,而它在次微米尺度下可以和空气组成双相物质。莲花效应便是基于此一原理而形成的。仿生学上,超疏水性物质的例子有利用纳米科技中的nanopin胶片(nanopin film)。

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疏水性造价信息

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疏水性定义

疏水性(hydrophobicity)

在化学里,疏水性指的是一个分子(疏水物)与水互相排斥的物理性质 。

举例来说,疏水性分子包含有烷烃、油、脂肪和多数含有油脂的物质。

疏水性通常也可以称为亲脂性,但这两个词并不全然是同义的。即使大多数的疏水物通常也是亲脂性的,但还是有例外,如硅橡胶和碳氟化合物(Fluorocarbon)。

性质理论根据热力学的理论,物质会寻求存在于最低能量的状态,而氢键便是个可以减少化学能的办法。水是极性物质,并因此可以在内部形成氢键,这使得它有许多独别的性质。但是,因为疏水物不是电子极化性的,它们无法形成氢键,所以水会对疏水物产生排斥,而使水本身可以互相形成氢键。这即是导致疏水作用(这名称并不正确,因为能量作用是来自亲水性的分子)的疏水效应,因此两个不相溶的相态(亲水性对疏水性)将会变化成使其界面的面积最小时的状态。此一效应可以在相分离的现象中被观察到。

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疏水性另见

亲水性 两性分子 浸润

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超疏水性常见问题

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疏水性参考

^ (英文)Aryeh Ben-Na'im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X) ^ (英文)Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): "Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls." JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450-455. Link to abstract ^ (英文)Young, T. (1805), "An Essay on the Cohesion of Fluids", Phil. Trans. R. Soc. Lond. 95: 65–87, DOI:10.1098/rstl.1805.0005 ^ (英文)Wenzel, RN(1936年).Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water.Ind. Eng. Chem.,28:988-994. ^ (英文)de Gennes, Pierre-Gilles(2004年).Capillarity and Wetting Phenomena. ^ (英文)Cassie, ABD (1944), "Wettability of Porous Surfaces", Trans. Faraday Soc. 40: 546-551 ^ (英文)Quere, D (2005), "Non-sticking Drops", Reports on Progress in Physics 68: 2495-2532 ^ (英文)Extrand, C (2004), "Criteria for Ultralyophobic Surfaces", Langmuir 20: 5013-5018 ^ (英文)Johnson, RE (1964), "Contact Angle Hysteresis", J. Phys. Chem. 68: 1744-1750

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超疏水性文献

超疏水性纳米界面材料的制备及其研究进展 超疏水性纳米界面材料的制备及其研究进展

超疏水性纳米界面材料的制备及其研究进展

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页数: 5页

超疏水性纳米界面材料的制备及其研究进展 3 刘  霞 1 ,高  原 1 ,2 ,呼爱妮 1 ,郭 云 2 ,谢朝阳 2 ( 1 烟台大学环境与材料学院 ,烟台 264005 ;2  中国空间技术研究院兰州物理所 真空低温技术与物理国家级重点实验室 ,兰州 730000 ) 摘要   超疏水表面在自清洁 、防腐蚀和生物相容性等方面所展示的独特性能以及在国防 、工农业生产和日常 生活中的潜在应用前景 ,引起了研究者的极大关注 。在简要总结超疏水界面理论的基础上 ,综述了超疏水界面材料 在制备及性能方面取得的一些新进展 ,探讨了这一领域存在的问题及可能的发展方向 。 关键词   超疏水  接触角  表面形貌 中图分类号 :O647 Preparation and Research Progress of Super2hydrophobic Nanoscale Interfacial Mater

超疏水复合控水砂表面结构及疏水性能研究 超疏水复合控水砂表面结构及疏水性能研究

超疏水复合控水砂表面结构及疏水性能研究

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页数: 4页

将石英砂与表面修饰改性的纳米氧化锌微粒及氟硅树脂混合经高温处理制备了具有"荷叶效应"的超疏水控水砂,通过显微镜、红外光谱、接触角、耐温性测试及岩心流动驱替实验评价了该超疏水控水砂的结构与性能。结果表明:超疏水控水砂表面具有荔枝皮状粗糙结构,水在复合粒子构成的非均相界面上的接触角符合Cassie模型;水在超疏水复合砂表面的静态接触角达158°,滚动角约为5°,达到超疏水要求;80℃条件下,岩心流动驱替NFRR值为5.3,表明该超疏水控水砂具有优良的控水性能;耐温达到120℃。合成的控水砂在胜利油田高含水区块进行了4井次的现场先导试验,现场应用效果明显,初期平均降水率达16.55%。

疏水性纤维性能特点

但是由于这些纤维的疏水性,也带来了服用性能上的不足,就是穿着闷热、不透气、不柔软,舒适性很差。因此现代纺织工业多用亲水性纤维与疏水性纤维混纺或者交织的方法来将二者取长补短。

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疏水性纤维纤维种类

所有经石油化工合成的纺织纤维如涤纶(聚酯)、锦纶(尼龙)、氨纶(弹力纤维)、丙纶、氯纶、腈纶等,都属于疏水性纤维。人造纤维中的醋酯纤维,又称为半合成纤维,则介于疏水性和亲水性纤维之间。所有天然纤维,回潮率都大于合成纤维,都属于亲水性纤维。

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疏水性氨基酸简介

疏水性氨基酸 hydrophobic amino acid

某溶质的疏水性(Hydrophobicity),是以其从水移于有机溶剂时的自由能的变化量来测定的,可通过在水和有机溶剂中的溶解度而测出。氨基酸侧链的疏水性,是从各氨基酸的疏水性减去甘氨酸疏水性之值来表示(C.Tanford)。疏水性氨基酸有色氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸和蛋氨酸(甲硫氨酸)。疏水性氨基酸在蛋白质内部,由于其疏水的相互作用,而在保持蛋白质的三级结构上起作用(参见疏水结合)。另外在酶和基质、抗体和抗原间的相互作用等各种非共价键的分子结合方面,具有重要作用,例如在抗体的与抗原结合的部位上有很多疏水性氨基酸,它参与与半抗原的结合。在维持生物膜的结构方面,疏水性氨基酸也具有作用,例如在红血球膜上存在的血型糖蛋白其膜内部分有许多疏水性氨基酸,形成一个疏水的区域。 2100433B

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