ZnO/C陶瓷植物叶片模板的超疏水陶瓷的制备及性能研究(3)

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图 1 （a）新鲜荷叶及水滴在叶片表面的形态，（b）荷叶表面微观形貌的扫描电镜图

图 2 （a）粽叶及水滴在叶片表面的形态，（b）粽叶表面微观形貌的扫描电镜图

1.2 超疏水模型及机理

水接触角(θ)是用来描述固体表面润湿行为的直观判据。对于一个平坦表面，接触角的大小是由一个水滴在固体表面上的固-液-气三相平衡点的表面张力决定的(图3)，通常该角的大小可由杨氏方程(式1)得到：

γLV cosθ=γSV-γSL (1)

式中γSV, γLV和γSL分别代表固-气、液-气和固-液界面的张力，因而平坦表面的接触角又称为杨氏接触角或本征接触角。

图 3 水滴在固体表面接触角的示意图

一般来说，当一个表面的杨氏接触角小于90°时，称该表面为亲水表面。当杨氏接触角大于90°时，称该表面为疏水表面。超疏水表面一般是指水接触角大于150°的表面[9-10]。超疏水表面的构建和相关理论近年来发展迅速。由于表面的构建理论能够在结构设计和性能优化上发挥关键性的指导作用，因而有关超疏水表面设计的理论显得格外重要。

图4 超疏水表面不同的润湿状态：（a）Wenzel状态；（b）Metastable，（c）Cassie状态

相关的基本理论主要有两个：Wenzel理论[11]和Cassie-axter理论[12](以下简称Cassie理论)。前者关联了表观接触角与表面粗糙因子及杨氏接触角的关系，主要描述的是水滴完全润湿粗糙表面的状态(图4a)。从杨氏方程出发Wenzel通过计算表面润湿过程的黏结力平衡将表面的粗糙因子与水接触角联系了起来，得出表观接触角与杨氏接触角间的线性关系(式2)[13]：

cosθw=rcosθ (2)

式中r是粗糙因子，由表面的实际面积与投影面积的比值决定，θw为表观接触角。根据Wenzel模型，对于一个给定的表面，表面的粗糙因子对表面润湿性具有放大效应：对于亲水的表面，粗糙因子会使表面更亲水；反之，对于疏水的表面，粗糙因子会使表面更疏水。但是研究发现用亲水材料也可以做成超疏水表面，这是Wenzel理论所无法解释的，表明了Wenzel理论的局限性。Cassie和Baxter[14]则针对多孔的憎水织物表面的润湿状况进行了分析，他们在杨氏方程的基础上得出表观接触角是各个接触相(织物和空气(孔) )间贡献的总和(式3)：

cosθc=fcosθ–(1-f) (3)

式中f 代表表面的固态相分率，θc为表观接触角。Cassie所描述的润湿状态如图4c所示，液滴悬着于表面的凸起之上，水滴与表面的接触面积极小，因而该模型又称为空气垫模型。对于无孔的粗糙表面，f= 1，此时Cassie方程就转化为Wenzel方程。由Cassie方程可知, 对于粗糙表面，表面固态相分数越小，并且原平坦表面的水接触角越大，则表面的疏水性越高。以上两个理论是目前关于超疏水表面较为经典的理论，已经广泛地用于实验结果的解释[15-18]。目前虽然对这两个理论还有很多异议，但是Wenzel和Cassie理论所描述的润湿状态已经被广为接受。