疏水性纖維疏水原理

疏水性(hydrophobicity)

在化學(xué)里，疏水性指的是一個(gè)分子(疏水物)與水互相排斥的物理性質(zhì) 。

舉例來說，疏水性分子包含有烷烴、油、脂肪和多數(shù)含有油脂的物質(zhì)。

疏水性通常也可以稱為親脂性，但這兩個(gè)詞并不全然是同義的。即使大多數(shù)的疏水物通常也是親脂性的，但還是有例外，如硅橡膠和碳氟化合物(Fluorocarbon)。

性質(zhì)理論根據(jù)熱力學(xué)的理論，物質(zhì)會(huì)尋求存在于最低能量的狀態(tài)，而氫鍵便是個(gè)可以減少化學(xué)能的辦法。水是極性物質(zhì)，并因此可以在內(nèi)部形成氫鍵，這使得它有許多獨(dú)別的性質(zhì)。但是，因?yàn)槭杷锊皇请娮訕O化性的，它們無(wú)法形成氫鍵，所以水會(huì)對(duì)疏水物產(chǎn)生排斥，而使水本身可以互相形成氫鍵。這即是導(dǎo)致疏水作用(這名稱并不正確，因?yàn)槟芰孔饔檬莵碜杂H水性的分子)的疏水效應(yīng)，因此兩個(gè)不相溶的相態(tài)(親水性對(duì)疏水性)將會(huì)變化成使其界面的面積最小時(shí)的狀態(tài)。此一效應(yīng)可以在相分離的現(xiàn)象中被觀察到。

超疏水性物質(zhì)，如荷葉，具有極難被水沾濕的表面，其水在其表面的接觸角超過150°，滑動(dòng)角小于20°。

氣體環(huán)繞的固體表面的液滴。接觸角θC，是由液體在三相(液體、固體、氣體)交點(diǎn)處的夾角。

1805年，托馬斯·楊通過分析作用在由氣體環(huán)繞的固體表面的液滴的力而確定了接觸角θ。

氣體環(huán)繞的固體表面的液滴，形成接觸角θ。如果液體與固體表面微結(jié)構(gòu)的凹凸面直接接觸，則此液滴處于Wenzel狀態(tài);而如果液體只是與微結(jié)構(gòu)的凸面接觸，則此液滴處于Cassie-Baxter狀態(tài)。

其中 = 固體和氣體之間的表面張力 = 固體和液體之間的表面張力 = 液體和氣體之間的表面張力 θ可以用接觸角測(cè)量計(jì)來測(cè)量。

Wenzel確定了當(dāng)液體直接接觸微結(jié)構(gòu)化的表面時(shí)，θ角會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)棣萕 *

cosθW * = rcosθ 其中，r為實(shí)際面積與投影面積的比率。Wenzel的方程顯示了微結(jié)構(gòu)化一個(gè)表面將會(huì)放大表面張力。疏水性表面(具有大于90°的接觸角)在微結(jié)構(gòu)化之后會(huì)變得更加疏水，其新的接觸角將比原來增大。然而，一個(gè)親水性表面(具有小于90°的接觸角)在微結(jié)構(gòu)化之后卻會(huì)變得更加親水，其新的接觸角將比原來減小。

Cassie和Baxter發(fā)現(xiàn)如果液體懸浮在微結(jié)構(gòu)表面，θ角將會(huì)變?yōu)棣菴B *

cosθCB * = φ(cos θ + 1) – 1 其中，φ為固體與液體接觸面積的比例。在Cassie-Baxter狀態(tài)下的液體比Wenzel狀態(tài)下更具有運(yùn)動(dòng)性。

通過用以上兩個(gè)方程計(jì)算出的新接觸角，我們可以預(yù)測(cè)Wenzel狀態(tài)或Cassie-Baxter狀態(tài)是否應(yīng)該存在。由于有自由能最小化的限制，預(yù)測(cè)出具有更小的新接觸角的狀態(tài)就會(huì)更可能存在。從數(shù)學(xué)上來說，要使Cassie-Baxter狀態(tài)存在，以下的不等式必須成立。

cos θ < (φ-1)/(r - φ) 提出的一個(gè)判斷Cassie-Baxter狀態(tài)是否存在的替代標(biāo)準(zhǔn)是:1)接觸線力克服液滴未被支撐部分的重力;2)微結(jié)構(gòu)足夠高從而阻止液滴接觸微結(jié)構(gòu)的基底(即凹面)。

接觸角是靜態(tài)測(cè)量疏水性的方法，接觸角滯后和滑動(dòng)角則對(duì)疏水性的動(dòng)態(tài)測(cè)量法。接觸角滯后是一種鑒定表面異質(zhì)性的現(xiàn)象。當(dāng)移液器將液體注到固體表面時(shí)，液體就會(huì)形成一定的接觸角。隨著注入液體的增加，液滴的體積會(huì)隨之增加，接觸角也會(huì)變大，但三相邊界會(huì)保持固定直到液體突然溢出。在液體溢出前瞬間的接觸角被稱為前進(jìn)接觸角。回退接觸角可以通過將液體從液滴中吸出來測(cè)量。隨著液體被吸出，液滴的體積減小，接觸角也減小，但三相邊界同樣保持固定直到被完全吸回。在液體被吸回瞬間的接觸角被稱為回退接觸角。而前進(jìn)接觸角和回退接觸角之間的差異就是接觸角滯后，它被用來鑒定表面的異質(zhì)性、粗糙性和運(yùn)動(dòng)性。非同質(zhì)的表面會(huì)有能夠阻礙接觸線的區(qū)域。滑動(dòng)角是另一種動(dòng)態(tài)測(cè)量疏水性的方法:在固體表面放置一個(gè)液點(diǎn)，傾斜表面知道液滴開始滑動(dòng)，此時(shí)的傾斜角即為滑動(dòng)角。處于Cassie-Baxter狀態(tài)的液滴通常會(huì)表現(xiàn)出比Wenzel狀態(tài)更小的滑動(dòng)角和接觸角滯后。

納米纖維表面的水珠

許多在自然界中找到的超疏水性物質(zhì)都遵循Cassie定律，而它在次微米尺度下可以和空氣組成雙相物質(zhì)。蓮花效應(yīng)便是基于此一原理而形成的。仿生學(xué)上，超疏水性物質(zhì)的例子有利用納米科技中的nanopin膠片(nanopin film)。