自清洁防雾玻璃表面的获得

毕业论文题目：自清洁防雾玻璃表面的获得学院：物理与电子工程学院专业：物理学学生姓名：白昊东学号：201172010201指导教师：王建目录摘要................................................................11、引言.............................................................22、基本概念.........................................................32.1、接触角：...................................................32.2、滚动角.....................................................32.3、超疏水与超亲水.............................................33、Wenzel模型和Cassie模型........................................43.1Wenzel模型.................................................43.2Cassie模型.................................................54、氧化铝的表面结构及其对表面润湿特性的影响.........................55、氧化铝自清洁及防雾表面的获得.....................................65.1、Wenzel模型下θW随r的变化趋势.............................75.2、Cassie模型下θC随f的变化趋势.............................76、结论及展望.......................................................8参考文献............................................................8致谢..............................................................91自清洁防雾玻璃表面的获得姓名：白昊东学号：201172010201班级：11级物理二班指导老师：王建摘要本文首先介绍了接触角，滚动角，超疏水与超亲水等相关的基本概念。主要研究了多孔氧化铝表面有序的表面结构和润湿状态之间的关系。通过调制多孔氧化铝孔的直径，同时保持孔间隔和深度，可观察到其润湿性显著地从亲水性改变为疏水性。通过比较研究证明关于这些多孔氧化铝表面的润湿行为是归属于Wenzel和Cassie状态之间润湿转变的现象。此外，在这一现象下研究了利用Wenzel模型和Cassie模型获得氧化铝自清洁防雾表面。在Wenzel模型下随着粗糙度r的逐渐增大接触角θW逐渐减小，当粗糙度r大于19.92的时候，接触角θW将小于5o,出现超亲水现象；在Cassie模型下随着表观液-固界面的百分比f的逐渐增大接触角θc逐渐增大，当表观液-固界面的百分比f大于0.87的时候，接触角θc将大于150o,出现超疏水现象。由此现象和原理可获得氧化铝自清洁防雾表面。关键词：自清洁，防雾，超疏水，超亲水Acquirementofself-cleaningandanti-fogsurfaceAbstractInthepaper,thebasicconceptsrelatedwithsurfacewettingpropertieswereintroducedbriefly.Thenthewettingpropertiesofporousanodicaluminiumoxideinducedbytheporediameterwerestudied.Anditisfoundthatwhenthesurfaceroughnessrisgreaterthan19.92duetotheincreaseofporediameter,thesuperhydrophilicandanti-fogsurfaceisacquired.Similarly,thechangeofporediametermakestheratioofapparentliquid-solidinterfacefgreaterthan0.87,thesuperhydrophobicandself-cleaningsurfaceisacquired.Keywords：Self-cleaningsurface;Anti-foggingsurface;Superhydrophobic;Superhydrophilic;21、引言下雨或潮湿天气，尤其是在冬季，湿气容易凝结在建筑物玻璃窗、汽车挡风窗、汽车观后镜、眼镜片等各式各样的玻璃制品上。在浴室和厨房等蒸汽聚集的地方，也可以出现类似的情形。湿气或蒸汽冷凝在玻璃制品表面形成微小水滴，称为玻璃表面的雾化。图1所示.在玻璃基板上的水滴呈小半球状，易产生如棱镜般的折射效应，从而影响镜面成像的能见度或玻璃的透光率。玻璃的雾化，轻则给人们的生活带来不便。如在寒冷的冬季，从户外进人室内眼镜片会被雾化，影响人的视觉;重则危及人的生命安全。如汽车观后镜若受雾化而影响成像，交通安全也就难以保证。此外玻璃表面沾附着的灰尘、油污等微粒也会影响镜面成像的能见度或玻璃的透光率。为此，研究开发自清洁防雾玻璃成为国内外学者关注的问题[1~6]为了避免玻璃制品上形成微小水滴导致雾化，通常采用以下措施:（1）在玻璃表面喷上一层表面活性剂;(2)在玻璃表面涂覆一层有机吸水防雾薄膜;(3)安装加热装置，通过加热蒸发玻璃表面水滴;(4)安装超声波分散和加热装置，对玻璃表面水滴同时进行分散和加热，达到快速蒸发的目的。然而这些方法都有各自的局限性:(1)方法需定期反复喷刷表面活性剂而显得不便利;（2)方法由于使用有机物质导致玻璃制品耐磨性和耐热性不好;(3)方法中由于加热蒸发水滴通常需7~10min，因而不实用;（4)方法的装置较复杂，元件多，成本高。因此研究开发便利的、耐磨性和耐侯性好的且成本低的新型自清洁防雾玻璃是十分必要的。一种较为有效的方法是在玻璃制品表面添加一层无机薄膜。若该薄膜为疏水性物质，它能使微小水滴聚集成大水珠。当水珠达到一定粒度时，会借助自身重力引起下滑，或通过外力如风吹、雨刷等方式除去水滴。但是小水滴的聚集或吹干、蒸发都需要一段时间，水滴会留在玻璃制品上，如棱镜般的影响成像。若该薄膜为亲水性物质(图2)，水滴将扩展平铺，不会影响镜面成像，同时水层薄对透3光率的影响也大为减小。目前新型自清洁防雾玻璃都采用亲水性无机薄膜制备。2、基本概念2.1、接触角：接触角是意指在液体/气体界面接触固体表面而形成的夹角。如图3所示在固体表面上的一液滴，若此液体受到固体表面之作用力甚强（例如水与一种强亲水的固体的表面），液滴将会完全地平在固体表面上，而其接触角约为0°。而非强亲水性之固体，则接触角则会较大，到约90°。在许多高亲水性的表面上，水滴所表现自0°到30°。若是固体表面为疏水，则接触角将大于90°。对于高疏水性的表面，其对水的接触角可高达150°或甚至近180°。在这种的表面上，水滴仅是停留在其上，而非真正对其表面浸润，可称之为超疏水，我们可以在适当氟化处理过（类铁氟龙涂布）的表面观察到，并可称之为莲花效应。这种新材料的表面之超疏水现象系基于与莲叶表面相同之原理（叶面有许多小突起）甚至对蜂蜜都有超疏水之现象。2.2、滚动角滚动角与接触角相类似，是表征一个特定表面润湿性的重要方法。也是常用的一种测量材料表面润湿性的方法。滚动角是指液滴在倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表面与水平面所形成的临界角度，以α表示。如图4所示，当一滴水放置在固体倾斜表面而达到一种滚动前的临界状态时，固体表面倾斜的角度就是滚动角。疏水性：指的是一个分子（疏水物）与水互相排斥的物理性质2.3、超疏水与超亲水固体表面的湿润性是固体的重要表面性能，描述湿润性的指标为与水的接触角，接触角小于90o为亲水表面，接触角大于90o为疏水表面，接触角大于150o则称为超疏水表面,接触角小于5o则称为超亲水表面。目前，我们定义超疏水材料表面滚动接触角小于10°。43、Wenzel模型和Cassie模型3.1Wenzel模型考虑到实际表面的形貌结构，Wenzel[4,5]对Young模型作了改进。他指出当一液滴滴加在一个粗糙表面上时，液滴在固体表面上会形成变形的，有柄的液滴。液体在固体表面上的真实接触会因为表面粗糙形貌的缘故而变得十分复杂。在这种情况下，液滴的真实接触角是很难测定的，实验上所测得的接触角只是表观平面上的接触角，即表观接触角。在假设液体与液滴下的固体表面形成只是液-固界面接触的前提下，液滴在固体表面的表观接触角可用式1表示WYcosθ=rcosθ（1）式中W是表观接触角，也称Wenzel状态下粗糙表面的平衡接触角。r定义为粗糙度，指的是实际的液-固界面接触面积与表观液-固界面接触面积之比。Wenzel模型（图5）表明，表面粗糙结构的存在使得实际上液-固界面的接触面积要大于观察到的表观接触面积。通过调制表面粗糙度的大小，可以改善固体表面的亲液性或疏液性。具体依据为：1)当Yoθ90时，W随着表面粗糙度的增加而变小，固体表面变得更加亲液；2)当Yoθ90时，W随着表面粗糙度的增加而变大，固体表面变得更加疏液；Wenzel模型不仅给出了化学同质粗糙表面的表观接触角与Young本征接触角之间的关系，同时也暗示出固体表面的形貌结构会影响其润湿特性的变化。在理论的指引下，科研人员借助物理或化学方法在抛光的固体表面构建微纳结构实现了对其表面润湿特性的改进。虽然Wenzel模型能够很好地解释众多发生在粗糙固体表面的润湿现象，展示出了表面形貌结构可以诱导接触角变化的这种预测功能[7]。但是，对于化学异质且不均匀的表面，该模型不是很适用。实验表明，当液体在这样的表面铺展时，如果液滴振动能小于因表面粗糙度所产生的势垒，那么液滴就不能到达Wenzel模型所要求的能量最小的平衡态，液滴将会处于某种亚稳定图5Wenzel模型5状态。对于由同一种材质构成的，具有相同粗糙度，而几何形貌不同的固体表面，其接触角也可能是不同的。这说明表面粗糙度并不是唯一确定表观接触角的因子。3.2Cassie模型基于Young模型对固体表面为化学同质表面假设的局限性，Cassie等[6]提出实际固体表面是化学异质的，并设想液滴在这种表面的接触是一种复合接触。当液滴置于固体表面由1和2两种物质均匀分布组成的复合表面时，液滴的表观接触角可由式2表示CYY1122cosθ=fcosθ+fcosθ(2)式中C是表观接触角，也称Cassie状态下复合表面的平衡接触角。Θ1Y和Θ2Y分别表示第一种和第二种物质表面的Young接触角，f1与f2分别表示液滴下面第一种和第二种物质表面的百分比（f1+f2=1）。值得注意地是，当其中一种物质为空气时，液体在气体界面的Young接触角为180o。此时由上2式可获得液滴在多孔粗糙表面时的Cassie状态方程如式31)(fYYCθθθCOSCOSCOS（3）式3中f是表观液-固界面的百分比（f1）。可见，液滴将会被孔道中的空气截留在固体表面上，液体并不能渗入到粗糙结构当中，只是与接触突起表面的尖端相接触。而且，f越小，C越大，固体表面可能呈现出超疏液性。Cassie模型（图6）不仅进一步拓展了Young模型和Wenzel模型中的处理，而且揭示了表面的化学物质能够诱导接触角的变化。因此，实验上通过在固体表面修饰不同的化学物质，来构建具有不同润湿特性的表面[8]。不过Cassie模型也有一定适用范围。研究发