一种基于弯月面受限局部电镀的超疏水表面的制备方法
【技术领域】
[〇〇〇1]本发明涉及超疏水表面的制备方法，特别是一种基于弯月面受限局部电镀的超疏水表面的制备方法。
[0002]主要是通过弯月面效应和电镀工艺来实现超疏水表面微纳结构顶端亲水而侧壁疏水这一新颖特性。利用该方法形成的超疏水表面较其它超疏水表面气体层更加持久，适合于长期水下使用。
【背景技术】
[0003]通常将与水接触角小于90°的固体表面称为亲水表面，大于90°的固体表面为疏水表面；特别地，与水接触角大于150°的表面称为超疏水表面。超疏水表面一般具有低表面能，或者具有一些参差不齐的微纳结构。这种的超疏水表面在我的日常生活中随处可见，比如荷叶效应，参见 Cheng Y T，Rodak D E，Wong C A，et al.Effects of micro_02andnano-structures on the self-cleaning behav1ur of lotus leaves[J].Nanotechnology，2006, 17 (5): 1359-1362、玫瑰花瓣效应，参见 Yeh K Y，Cho K H，Yeh Y H，PromraksaA，Huang C H，Hsu C C and Chen L J, Observat1n of the rose petal effect oversingle-and dual-scale roughness surfaces[J].Nanotechnology, 2014(25), 345303和人厌槐叶萍效应，参见 Barthlott W，Schi_el T，Wiersch S，et al.The salviniaparadox:superhydrophobic surfaces with hydrophilic pins for air retent1n underwater.[J].Advanced Materials，2010, 22 (21): 2325 - 2328。荷叶表面与水有较大的接触角，但是容易滑落。玫瑰花瓣不但与水有较大的接触角，还有很大的接触滞后胶，正因为有较大的前进角和后退角差，玫瑰花瓣才得以将水珠钉在表面上，以至于不易滑落。人厌槐叶萍具有微纳双层尺寸结构。在它的结构底端，是疏水性的微米结构，在结构顶端是亲水性的纳米结构，这种特殊的结构能够将水珠牢牢的给抓取住，是一种更加稳定的状态。
[0004]通常超疏水表面常用的制备方法有溶胶凝胶法，参见Sousa C，RodriguesD,Oliveira R，et al.Superhydrophobic poly (L-lactic acid)surface as potentialbacterial colonizat1n substrate [J].Amb Express，2011，1、方定涂法，参见 ErbilΗ Y,Demirel A L,AvciY, et al.Transformat1n of a simple plastic into asuperhydrophobic surface.[J].Science，2003, 299 (5611): 1377-1380、气相沉积法、激光 / 离子束 / 化学刻蚀，参见 Du K，Wathuthanthri I，Liu Y Y，Kang Y T and ChoiC H，Fabricat1n of polymer nanowires via maskless 02 plasma etching[J].Nanotechnology 2014 (25)，165301、光刻法、化学腐蚀法、光电化学刻蚀，参见Sun G，ZhaoX, Kim C J.Fabricat1n ofVery-High-Aspect-Rat1 Microstructures in ComplexPatterns by Photoelectrochemical Etching[J].Journal of MicroelectromechanicalSystems，2012,21 (6):1504-1512、沉积法、电镀法，参见 Sun G，Hur J，Zhao X，etal.High yield dense array of very-high-aspect-rat1 micro metal posts byphoto-electrochemical etching of silicon and electroplating with vacuumdegassing[C]//Proceedings of the IEEE Internat1nal Conference on Micro ElectroMechanical Systems(MEMS).2010:340-343 以及电纺丝法，参见 Ochanda F 0，Samaha MA,Tafreshi Η V, et al.Salinity effects on the degree of hydrophobicity andlongevity for superhydrophobic fibrous coatings[J].Journal of Applied PolymerScience, 2012, 124(6):5021 - 5026等。在现有的仿生制备结果中，大部分都是实现荷叶超疏水表面结构，很少有工程能够实现玫瑰花瓣效应，像人厌槐叶萍表面的这种复杂结构，几乎用工程技术是很难实现的。
[0005]目前，超疏水表面接触角和接触滞后角存在一个相对立的问题，参见Chang, Feng-Ming, Hong, Siang-Jie, Sheng, Yu-Jane, et al.High contact angle hysteresisof superhydrophobic surfaces:Hydrophobic defects[J].Applied Physics Letters，2009, 95(6):064102-064102-3。如果一个物体表面具有一个较大的静态接触角，那么它的前进角和后退角之差接近于零，也就是接触滞后角非常小。相比之下，如果一个物体表面的静态接触角比较小，那么它的前进角与后退角大小会有一定的差距，这意味着接触角滞后角比较大。拿荷叶表面和玫瑰花瓣表面来举例，在荷叶表面上，静态接触角比较大，但是滞后角比较小，因而荷叶上的水珠容易滑落；玫瑰花瓣表面的静态接触角比荷叶表面的静态接触角小一些，但是玫瑰花瓣滞后角大，因而水珠仿佛被表面钉住一样，不易滑落。所以，如何同时得到一个较大的静态接触角和接触滞后角，是我们目前所面临的一个挑战。
[0006]超疏水表面受到了大家普遍的关注，是因为它可以应用到各行各业，比如:自清洁的玻璃和衣服、水下防锈防腐保护、水下减阻，参见Park H，Sun G，and Kim CJ.Superhydrophobic turbulent drag reduct1n as a funct1n of surface gratingparameters [J].Journal of Fluid Mechanics 05/2014 ;747:722-734、传热等。
[0007]接触角有Wenzel和Cassie两个状态，Wenzel状态下，固体液体充分接触，接触面积达到最大值，所受到的摩擦力也是最大的。而Cassie状态下，弯月面将固体与液体隔开，减小了固液接触面积，相应地所受到的摩擦力变小。这种特性充分应用于水下减阻。在这个减阻应用中，弯月面的稳定性起着决定性作用，参见:1) Xu M，Sun G，Kim C J.1nfinitelifetime of underwater superhydrophobic states.[J].Physical Review Letters, 2014, 113(13):136103-136103 ；2)Shirtcliffe N J,McHalea G, Newton Μ I, Perry CC, Pyatt F B.Plastron Properties of a Superhydrophobic Surface[J].Appl.Phys.Lett.89artl04106(2006)〇
[0008]随着时间的增加，弯月面会变得不稳定，接触角会从Cassie状态转变成Wenzel状态，有些设备装置可以观察到状态转变的动态图，参见Xu M，Sun G，Kim C J C J.Wettingdynamics study of underwater superhydrophobic surfaces through directmeniscus visualizat1n[C]//Micro Electro Mechanical Systems(MEMS), 2014 IEEE27thInternat1nal Conference on.1EEE,2014:668-671。
[0009]目前所存在的一些问题有:超疏水表面无法长时间使用、气体丢失、气体层不稳定等，这些问题都是弯月面不能够长久稳定的支撑液体导致的。本发明中，我们提出了一种新颖的超疏水表面制备方法，能够有效的改善弯