超疏水--超亲油单分子层表面的制备

摘要

超疏水表面由于其自清洁性质受到人们的密切关注。目前，超疏水表面的制备方法大致有以下过程：（一）改变表面物质组成，用疏水基团进行修饰。（二）改变表面微结构, 形成具有一定的纳米-微米图案。 最近，我们利用具有一定图案化的聚酰胺薄膜作为基底，通过扫描电镜（SEM ）观察，基底表面具有三角形网状结构，且尺寸在200 微米左右，蒸镀上纳米金层，利用烷基硫醇和金反应，生成单分子层的特性对其表面进行改性（12 烷基硫醇/乙醇：1mM 。浸泡：24 小时）。通过X-射线能级光谱（XPS ）表征单分子层中硫元素的2p 轨道能级谱图（键能~161.9ev ），可以证明单分子层已经接枝在纳米金层上。为了研究表面润湿性和表面化学组成以及基底粗糙度的关系，我们进行了对比实验。在光滑的金表面，实验测得水接触角约等于73 度，接枝上烷基硫醇单分子层后，由于烷基具有疏水性和亲油性，表面水接触角增大到108 度左右，同时实验测得油接触角约为13 度，这些数值与已往文献报道的数值能很好的吻合。根据Wenzel 公式可知，表面润湿性可以随着基底粗糙度的增加得到放大。在我们的实验中发现，接枝在三角形网状基底的单分子层润湿性得到了明显的放大，具有了超疏水的性质（水接触角约为153 度），不仅如此，薄膜同时还表现出超亲油的特性，油滴能够迅速穿透薄膜（小于500 毫秒），达到油水分离的效果。不仅如此，我们还研究了基底三角形结构的尺寸和表面润湿性的关系，通过实验发现，随着基底尺寸变大，单分子层表面的疏水性明显减弱，因此只有具有合适尺寸的图案化基底才能同时具有这两种特殊的润湿性。这一实验结果可以很好的被Cassie 模型和Extrand 模型联合解释。并且此实验结果也能证明上述两种模型的正确性以及适用性，说明在粗糙度较小的情况下，用Cassie 模型来解释润湿性现象比较适用。但在较大的粗糙度条件下，就必须考虑用Extrand 模型，即考虑液体自身表面张力，因此，本工作具有一定的理论研究意义和实际应用价值。