疏水表面及其减阻研究

石油人在北京

微米结构的乳突以及蜡状物共同作用引起的。研究
表明,荷叶表面之所以具有高接触角和近乎0°的滚
动角,是因为荷叶表面除了微米结构的乳突和蜡状
物的存在外,在微米结构的乳突上还具有纳米结构。
正是这种微P纳米结构的共同作用,导致了荷叶和水
稻叶表面具有超疏水性质[3 ] 。另外,水黾的腿,蝴
蝶、蝉及水鸟的翅膀表面都具有凹凸不平的微P纳米
结构,其接触角都大于130°,从而表现出较高的疏水
性能[4 ] 。通常将水与固体表面接触角大于150°以上
的物质表面称为超疏水表面,它在工农业生产和人
们的日常生活中已经得到部分应用,并有着极其广
阔的应用前景。例如, 疏水表面可以用来防雪、防
污染、防氧化以及防止电流传导等[5 ] 。目前,还出现
了一种同时具备疏水和其他性能的表面,例如透明
或者带有各种颜色、各向异性、亲P疏水性可逆、良好
的自适应性和透气性的超疏水表面[6 ] 。近年来,还
有将超疏水表面用于各种交通运输工具的表面,特
别是船舶、舰艇的表面,以利于减阻,并成为一个新
第20 卷第4 期
2008 年4 月
化　学　进　展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 20 No. 4
　Apr. , 2008
的研究方向。
2 　基本原理
2. 1 　亲、疏水原理
物质表面的表面能大小,决定了该物质是否具
有亲、疏水性能。Young[7 ] 最早揭示了物质表面的
亲、疏水性质。他假设在理想物质表面上,当液滴达
到平衡时,各相的表面张力与接触角之间可以用式
(1) 表示。
cosθ = (γsv - γsl )Pγlv (1)
式中:γsv为固体表面在饱和蒸气下的表面张力;γsl
为固液间的界面张力;γlv为液体在它自身饱和蒸气
压下的表面张力。θ为固、液、气三相平衡时的接触
角。当θ> 90°时,认为物质表面具有疏水性质;当θ
< 90°时,认为物质表面为亲水性质。20 世纪中期,
Cassie 和Wenzel 分别对粗糙表面的亲、疏水性进行
进一步的研究发现,提高物质表面粗糙度将使疏水
的物质表面更加疏水,亲水的物质表面则更加亲水。
Cassie 等[8 ] 在研究物质表面时,提出了一种新的表
面粗糙模型———空气垫模型,指出液滴与物质表面
接触分为两部分,一部分为液滴与物质表面凸起
( f s ) 直接接触部分,另一部分为液滴与物质表面凹
坑里的空气垫( f v ) 接触部分,假定θv = 180°, Cassie
等在Young 方程基础上得出公式(2) 。
cosθ′= f cosθ+ f - 1 (2)
其中f 为表面系数, f = f s
P( f s + f v ) 。他们指出,增
加空气垫所占比例, 将使疏水表面更加疏水。
Wenzel[9 ] 则对疏水表面进一步研究指出,液滴在物
质表面的实际接触面积要比理想的表面大,因为实
际物质表面并不光滑平整。由于液滴和物质表面张
力存在差异,导致液滴会渗入物质表面的凹坑部分,
从而使液滴与表面的实际接触面积大于理想表面中
的接触面积。所以,Wenzel 得出了对Young 方程的
修正方程(3) 。
cosθ′= r (γsv - γsl )γlv (3)
式中: r = 实际接触面积P表观接触面积,θ′为表观接
触角,θ为Young 氏接触角。根据式(2) ,可将式(3)
表示成cosθ′= rcosθ,式(3) 中的r > 1 ,cosθ′< cosθ,
所以Wenzel 同样得出了原本疏水的表面将更加疏
水的结论。
2. 2 　疏水表面的减阻原理
水下航行体在行进时的阻力主要是表面摩擦阻
力、旋涡阻力和压差阻力。其中摩擦阻力占总阻力
的80 %以上,因此,降低表面摩擦阻力不仅可以提
高水下航行体的行进速度而且还可以节能。
Watanabe 等[10 ] 最早提出了用疏水表面进行减阻的
研究,他指出疏水表面具有减阻性能是由于该表面
存在有细微沟槽,使其表面与流体的接触面积减小,
导致表面摩擦阻力降低。国内田军等[11 ] 通过对平
板表面修饰,用低表面能物质来实现疏水和减阻,在
低速条件下得到14 % —20 %的减阻效果。减阻的
原因可能是疏水涂层推迟了平板表面流体由层流边
界层向湍流边界层的捩转。Henoch 等[12 ] 指出,具有
顺向细微沟槽的疏水表面,由于细微沟槽的存在,使
流体在流经物体表面时形成微细流,正是这种微细
流的存在,减小了物体表面的摩擦阻力。另外,也有
学者研究指出,疏水表面的减阻归结于液2固界面间
产生了滑移,表面粗糙度以及表面低润湿性能都可
以使滑移增大,从而实现减阻[13 ] 。目前对于疏水表
面的减阻机理还没有一个确切的定论,有待进一步
研究。
3 　疏水表面的制造工艺
目前构造具有疏水性能的表面主要有两种途
径[6 ] :一种是在具有低表面能物质的表面,构造出粗
糙表面;另外一种就是在构造出的粗糙表面修饰低
表面能物质。
3. 1 　疏水涂层表面粗糙化工艺
3. 1. 1 　氟碳树脂表面的粗糙化
众所周知,氟碳树脂以其固有的低表面能特性,
被广泛用于制造疏水表面。目前常用的有: Teflon
(特氟隆) 系列、PVDF (聚偏二氟乙烯) 、FEVE(一种
含氟树脂) 和PVA (聚乙烯醇) 树脂等。Zhang 等[14 ]
利用Teflon 制得了具有纤维状的多孔超疏水薄膜,
正是薄膜表面的这种纤维状晶粒和大量气孔的存
在,才使薄膜表面具有疏水性。Chen 等[15 ] 利用氧等
离子体,分别刻蚀经金和烷基硫醇修饰后的自组装
纳米聚苯乙烯薄膜表面和Teflon 薄膜表面,前者的
表面接触角从刻蚀前的132°变为170°,后者接触角
为168°。Lu 等[16 ] 加热聚四氟乙烯到玻璃点温度,利
用多孔氧化铝模板在聚四氟乙烯薄膜表面成功地制
备了柱状的聚四氟乙烯纤维表面,其表面接触角为
161°。Xu 等[17 ] 利用电引发聚合和化学聚合工艺在
聚吡咯(PPy) 薄膜中掺杂全氟辛烷磺酸(PFOS) 作为
诱导剂,得到具有双重结构的粗糙表面,其表面具有
较好的疏水性。Yuan 等[18 ] 将聚苯乙烯颗粒溶于四
氢呋喃溶液,并在常温下向上述溶液中加入一定量