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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 材料区 » 微米和纳米 » 学术讨论 » 【讨论】材料表面亲水疏水机理的探讨
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wudong863

金虫 (小有名气)

Coatingtech

[交流] 【讨论】材料表面亲水疏水机理的探讨已有16人参与

材料的亲水/疏水特性是我们生活中十分常见的现象。而超亲水/超疏水的机理却一直没能十分肯定的给出答案，有可能是不同的材料以及表面特性产生这两种现象原因也是不一样的。自1995年，日本TOTO公司发现了TiO2的经由紫外线照射可从疏水转变为超亲水状态以后，人们对这一可逆转的现象的解释便产生了浓厚的兴趣。
后来到1997年，科学家又通过荷叶效应揭示了表面浸润理论（接触角）对于亲水疏水效应的影响至关重要。但是这与TiO2的亲水/疏水转变的原因似乎又是不同的。
目前我们利用这些机理也制作处了很多超亲水/疏水的材料、薄膜、粉体，比如纳米粉添加剂、防水涂料、防水膜等等。
在这里我想就TiO2的超亲水/疏水可逆转的特点，请教高人能否解释下一般氧化物，特别是Al2O3,SiO2,ZnO等材料为什么没有可逆转的亲水/疏水现象？
同时不同晶态的Al2O3,SiO2,ZnO他们的亲水疏水特性又是什么样的？
我们制备薄膜的时候，薄膜表面的粗糙度对于亲水/疏水特性的影响有多大，
另外亲水/疏水特性跟不同的晶态结构的能级状态有什么关系？
希望有兴趣的朋友一起讨论！！

[ Last edited by wudong863 on 2010-8-3 at 16:24 ]
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1楼2010-08-03 16:21:20
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回帖支持 ( 显示支持度最高的前 50 名 )

wudong863

金虫 (小有名气)

Coatingtech
引用别人的分析：
最初认为，TiO2表面的超亲水性起因于表面吸附有机分子的光催化分解反应。TiO2表面本身所具有的化学吸附水是亲水性的，而吸附空气中有机物后使表面疏水，紫外光照射下，表面生成强氧化性的·OH，疏水性的有机物通过光催化分解反应被·OH氧化分解，从而使表面表现为亲水性状态；停止光照，有机物又会慢慢吸附在TiO2表面，回到疏水状态。

　　但进一步的研究表明，TiO2表面的超亲水性不同于TiO2的光催化氧化分解特性，而是TiO2表面本身光诱发的另一种反应。这是因为：

　　(1) TiO2表面超亲水程度与有机物的光分解效率无关，在一些完全没有光催化活性或光催化活性很低的TiO2单晶或多晶表面均观察到了超亲水特性。

　　(2) 一些金属离子（如铜）掺杂可提高TiO2的光催化氧化反应，但却降低了TiO2表面的超亲水特性。

(3) 紫外光照射后，TiO2表面对油也具有很大的亲和性，在正常条件下，油性液体如乙二醇、十六烷、三油酸甘油酯等与TiO2表面有较大的接触角，但经紫外光照射后，这些液体也会完全浸润在玻璃镀膜表面，即紫外光照射后，TiO2表面具有水油双亲性[2]。

目前的研究则认为，在光照条件下，TiO2表面的超亲水性起因于其表面结构的变化。在紫外光照射下，TiO2价带电子被激发到导带，电子和空穴向TiO2表面迁移，在表面生成电子—空穴对，电子与Ti4+反应，空穴则与表面桥位氧（示意图见图1.1）反应，分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时，空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水（表面羟基），化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层，即在Ti3+缺陷周围形成高度亲水的微区，而表面剩余区域仍保持疏水性，这样就在TiO2表面构成了均匀分布的纳米尺寸分离的亲水和亲油微区，类似于二维的毛细管现象。由于水或油性液滴尺寸远远大于亲水或亲油区面积，故宏观上TiO2表面表现出亲水和亲油特性。滴下的水或油分别被亲水微区或亲油微区所吸附，从而浸润表面。停止紫外光照射后，化学吸附的羟基被空气中的氧取代，重又回到疏水性状态
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材料分析测试技术群：101717240。
9楼2010-08-04 07:06:57
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whiteiris

铁虫 (小有名气)
★
wudong863(金币+1):谢谢参与
wudong863(金币+1):非常感谢，您看来对这个领域非常熟悉 2010-08-04 07:17:28
据我所知，亲水疏水主要是表面化学能的影响，而超疏水则意味着Cassie-Baxter状态，必须有足够高的微纳米级别深宽比，使得空气能支撑大部分液滴。至于超疏水超亲水的转换，则是C-B状态到Wenzel状态的热力学不可逆过程。TiO2的亲水/疏水转变大概是表面能改变引起的这种transition，并无特殊之处。Al2O3,SiO2,ZnO只是没有类似光照引起表面能变化的机理，但是只要加热或是用其他方式，照样可以。

找最近几篇langmuir文章来看，讨论这类问题的一大把。
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白虹贯日──怀疑一切，除了怀疑本身
6楼2010-08-03 22:47:41
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yznian

至尊木虫 (著名写手)
★
wudong863(金币+1):谢谢参与
这~~老实说 如果能把楼主的问题回答清楚了 一篇SCI也就出来了 囧
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4楼2010-08-03 21:00:40
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地主

至尊木虫 (著名写手)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
wudong863(金币+1):谢谢指教 2010-08-04 08:59:13
表面浸润性和表面能，和表面粗糙度有关，也就是不同物质，有不同的表面能，合适的表面粗糙度使表面层吸附空气，形成空气/物质二元界面，容易形成超憎水。
另外对于超亲水和超疏水的解释机理也存在不同，Wenzel和Cassie模型，可以在一般的课本里找到，希望对你有帮助！
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15楼2010-08-04 08:35:27
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bosezi

木虫 (正式写手)
★
wudong863(金币+1):谢谢参与
光催化性能也可以改变亲疏特性，参考 Reversible UV-light-induced ultra-hydrophobic to ultra-hydrophilic transition in alpha-Fe2O3 nanoflakes film
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16楼2010-08-04 10:51:04
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眼镜片1

银虫 (著名写手)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
个人实验证明 和表面的粗糙度以及所谓的微米-纳米二维复合结构基本没关系   
因为我的实验证明了只有在纳米级别的粗糙度下，也是可以制备超疏水的   也就是从另外一个方面证明了Extrand的说法  认为在三相接触线处是最关键的  和表面接触面积内部的什么微孔、形态等等都没有关系  Cassie模型的将的是接触面部分   还是不全面的
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28楼2013-05-23 08:49:17
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普通回帖

helongyu

金虫 (正式写手)
wudong863(金币+1):谢谢支持 2010-08-03 19:42:53
路过，不是太懂，帮顶。
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踏实、朴实、求实
2楼2010-08-03 19:40:43
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R3579

木虫 (著名写手)
★
wudong863(金币+1):谢谢参与
粗糙度对膜亲疏水影响不定，粗糙有的可使膜变更疏水，有的使之变更亲水
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3楼2010-08-03 20:50:43
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fiw

木虫 (正式写手)
★
wudong863(金币+1):谢谢参与
用杨氏方程可以解释.
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5楼2010-08-03 21:39:59
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shikyang

铜虫 (正式写手)

Yes

★
wudong863(金币+1):谢谢参与
wudong863(金币+1):Thank you for your reply 2010-08-04 07:20:12
currently, I found that some structures of Ag I prepared can change from Superhydrophilic to Hydrophobic. The structure is not chanced. Thus I feel the surface oxicization is a main reason.
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7楼2010-08-03 23:03:20
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wudong863

金虫 (小有名气)

Coatingtech
引用回帖:
Originally posted by R3579 at 2010-08-03 20:50:43:
粗糙度对膜亲疏水影响不定，粗糙有的可使膜变更疏水，有的使之变更亲水

确实是这样的。粗糙度小，形成的毛尖结构会使接触角较大，而太小了，接触角又太小。如果粗糙度太大，表面形成较大凹凸不平的缺陷，这样由于表面能的影响又会加大吸附的可能性。
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材料分析测试技术群：101717240。
8楼2010-08-04 07:06:17
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wudong863

金虫 (小有名气)

Coatingtech
引用回帖:
Originally posted by whiteiris at 2010-08-03 22:47:41:
据我所知，亲水疏水主要是表面化学能的影响，而超疏水则意味着Cassie-Baxter状态，必须有足够高的微纳米级别深宽比，使得空气能支撑大部分液滴。至于超疏水超亲水的转换，则是C-B状态到Wenzel状态的热力学不可逆过 ...

您说的很对，Al2O3,SiO2,ZnO确实可以通过加热实现表面能的变化，从而实现超疏水与超亲水的转换。
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10楼2010-08-04 07:09:00
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