表面粗糙度对材料表面超疏水性的影响.docx

1、表面粗糙度对材料表面超疏水性的影响表面粗糙度对材料表面超疏水性的影响第1期 陈 爽等铝阳极氧化膜的硫酸钇脉冲封闭 49 表面粗糙度对硅橡胶材料表面超疏水性的影响 周 蕊1a金海云1b高乃奎1b彭宗仁1b乔冠军1a李西育2金志浩1a 1. 西安交通大学 a金属强度国家重点实验室b电气绝缘国家重点实验室西安 7100492. 西安高压套管有限公司西安 710077 摘 要采用一种简单的方法制备出了硅橡胶超疏水性表面将模具内表面做成一定的粗糙度按照常规成型工艺将液体硅橡胶浇注在模具内使其固化待固化完毕后脱去模具得到不同粗糙度的表面。经过接触角测量仪测定和扫描电子显微镜分析结果表明当硅橡胶表面粗糙度R

2、a6.63 ?m时在其表面形成了类似于荷叶的乳突结构在乳突表面还有亚微米级的小颗粒存在形成了微米亚微米两级的粗糙结构材料表面与水的静态接触角为153.5?滚动角为8?材料具有超疏水性当硅橡胶表面粗糙度 Ra6.63 ?m材料表面的静态接触角随着表面粗糙度的增加而减小。 关键词表面粗糙度静态接触角滚动角超疏水 中图分类号TB302 文献标识码A 文章编号10079289200906003006 Influence of Surface Roughness on Superhydrophobicity of Silicone Rubber Surface ZHOU Rui1 JIN Hai?yun

3、2 GAO Nai?kui2 PENG Zong?ren2 QIAO Guan?jun1 LI Xi?yu3 JIN Zhi?hao 1a. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials b. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xian Jiaotong University Xian 710049 2. Xian High?pressure Casing CO LTD Xian 710077 Abstract: In this

4、 paper we report on a simple method to prepare superhydrophobic surface on silicone rubber. Different surface roughness was formed along the mold inner surfaces. Then the liquid silicone rubber was molded in the mold with the standard molding processing. After consolidation was accomplished complete

5、ly and the mold was released surface with different roughness was obtained. By exterminating contact angles and scanning electron microscopy observation we found when the roughness of the surface Ra was 6.33 m a similar mastoid microstructure with lotus leaves was formed on the silicone rubber surfa

6、ce. There were some submicron particles on the mastoid. Micron and submicron rough structures were formed. The static contact angle obtained was 153.5? and the rolling angle was 8?. When the surface roughness Ra was less than 6.63 ?m the static surface contact angle increases with the surface roughn

7、ess increasing when the surface roughness Ra was 6.63 ?m the static contact angle was largest. The maximum value was 153.5?. When the surface roughness Ra was more than 6.63 ?m surface static contact angle decreases with the surface roughness increasing. Key words: surface roughness static contact a

8、ngle rolling angle super hydrophobic0 引 言 硅橡胶绝缘子因其重量轻、机械强度高、表面憎水性强、耐污闪能力强、制造维护方便等优点在全国35500 kV交直路中得到广泛应用。随着橡胶绝缘子发生事故的情况也日趋增多主要表现在 收稿日期20090702修回日期20090917 作者简介周蕊1983女汉河南周口人硕士生。 雷击闪络、污闪、鸟害、机械强度下降等方面。这给电网的安全运行留下了隐患1。 由于经济的发展环境条件的变化污闪事故发生频繁且波及面大。电网的污闪事故随着城乡工业的发展、环境的恶化、污秽加重而频繁发生又因为电压的升高及电网的扩大电网的污闪事故涉及的范

9、围也越来越大停电时间也越来越长。甚至doi: 10.3969/j.issn.10079289.2009.06.005 第22卷 第6期 中 国 表 面 工 程 Vol.22 No.62009年12月 CHINA SURFACE ENGINEERING December 2009 第6期 周蕊等表面粗糙度对硅橡胶材料表面超疏水性的影响 31 造成系统振荡、系统瓦解因而造成的损失触目惊心。我国电网在向大电网、高电压方向发展的同时系统的污闪问题显得越来越突出。污闪事故会造成大面积、长时间停电往往给人民生活带来诸多不便2给国民经济造成严重经济损失。覆冰降低绝缘子的电气性能3严重覆冰时其最低闪络电压比湿

10、闪电压约低60 4-6且冰闪电压受绝缘子结构的影响不明显7-8。运行部门急需要有一种切实可行的方法来防止绝缘子冰闪事故的发生。延长冰凌桥接时间、阻隔融冰水形成闪络通道、减小泄漏电流是提高覆冰绝缘子串冰闪电压的有效方法之一9。因此提高绝缘子表面的超疏水性能可显著提高绝缘子的耐污闪能力。 近年来自然界中的超疏水接触角大于150?滚动角小于10?与自清洁现象引起了人们的研究兴趣10。人们通过观察植物叶表面的微观结构认为这种自清洁的特征是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的。中科院江雷研究员指出在荷叶表面微米结构的乳突上存在纳米结构这种纳米结构与微米结构的乳突相结合的双微观结构是引

11、起表面防污自洁的根本原因。因此人们总结出超疏水性表面可以通过两种途径来制备一种是在疏水材料表面改变材料表面的粗糙度和表面形态另一种是在具有一定粗糙度的表面上修饰低表面能的物质。 绝缘子用硅橡胶表面本身就是一种疏水性材料所以为了提高其表面的疏水性能使其转变成超疏水材料只需改变其表面的粗糙度和表面形态。人们研发了多种技术构筑超疏水表面所需要的粗糙结构 如模板法11、相分离法12、自组装13、气相沉积法14、化学腐蚀15、激光刻蚀16、水热生长17及电纺法18等。其中模板法操作、工艺要求简单适合规模生产且容易控制质量具有较大的生产优势。 采用一种简单的方法制备出绝缘子用硅橡胶超疏水性表面。将模具内表

12、面做成一定的粗糙度。按照常规成型工艺将液体硅橡胶浇注在模具内使其固化脱去模具得到具有超疏水性的表面。当模具内表面的粗糙度适当时Ra6.63 ?m硅橡胶表面形成了类似与荷叶表面的微观结构并且表面与水的静态接触角大于150?。 1 试 验 1.1 不同粗糙度的硅橡胶表面的制备 用分样筛将普通磨料筛分出198、63、21、15、10.5 ?m80、240、600、800、1200目的石英砂粒放置备用在模具3 cm3 cm3 cm立方体的内表面用硅烷偶联剂N氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷处理然后在模具内表面均匀喷涂一层树脂粘结剂环氧树脂在喷涂完粘接剂的模具内表面再均匀喷撒一层筛分好的不同目数砂粒晾干备用将液

13、体硅橡胶按照硅橡胶常规成型工艺浇注在模具内使其固化待固化完毕后脱去模具得到的硅橡胶具有不同表面粗糙度。以光滑的模具内成型的硅橡胶表面作为对照。 1.2 粗糙度的测量 采用TR200手持粗糙度仪测量硅橡胶表面的粗糙度Ra。取样长度l0.8 mm评定长度ln5lLTH0.85 mmSTOISORAN?80 ?mFTLRC滤波器。每个试样上取20个值然后求其平均值得出硅橡胶表面的粗糙度Ra。 1.3 测量接触角 分别用去离子水、无水乙醇清洗硅橡胶表面并在室温条件下晾干备用。在室温环境下用JC2000C4型接触角测量仪测定硅橡胶表面5个不同位置的接触角并求其平均值作为硅橡胶表面的接触角每组测量时间控制

14、在2分钟内。 1.4 表面形貌的观察 利用JSM35C型扫描电子显微镜对试样表面进行观察。 2 结果与讨论 2.1 表面轮廓曲线的测量 采用TR200手持粗糙度仪测量硅橡胶表面结果表明模具内表面分别喷撒198 ?m、63 ?m、21 ?m、15 ?m、10.5 ?m的石英砂粒后在其表面成型的硅橡胶表面粗糙度Ra分别为13.63 ?m、9.61 ?m、8.23?m、6.63 ?m、5.88 ?m表面光滑的模具内成型的硅橡胶表面的粗糙度Ra为0.418 ?m。图1为不同表面粗糙度的硅橡胶表面轮廓曲线其中abcd的表面粗糙度分别为0.418 ?m 13.63 ?m 6.63 ?m 5.58 ?m。3

15、2 中 国 表 面 工 程 2009年 从图1a中可以看出硅橡胶表面近似光滑表面表面相对平整。图1b有较大的波峰和波谷且单峰间距大于0.5 mm。从图1cd中可以看出随着粗糙度的减小波峰波谷随之较小且单峰间距也变短。 2.2 表面微观形貌观察 图2abcd为硅橡胶表面的扫描照片其表面粗糙度Ra分别为0.418 ?m、13.63 ?m、6.63 ?m、5.58 ?m。从图中可以看出经过粗糙化处理后在硅橡胶表面形成了不同的粗糙结构。表面粗糙度Ra13.63 ?m的硅橡胶表面形成了平均直径为 400 ?m左右的不规则的凸起和凹槽表面粗糙度Ra6.63 ?m的硅橡胶表面形成了平均直径为50 ?m左右的

16、不规则的乳突表面粗糙度Ra5.58 ?m的硅橡胶表面形成了20 ?m左右的不规则的凹槽没有形成凸起。图ef分别为表面粗糙度Ra6.63 ?m的硅橡胶表面乳突的放大照片图e可以明显的看出表面形成的是类似于荷叶表面的乳突结构图f可以看出平均直径为50 ?m左右的乳突上面还有亚微米级的小微粒形成在硅橡胶表面形成了微米亚微米级的两级的粗糙结构。 2.3 表面粗糙度和疏水特性 2.3.1 静态接触角 图3a为光滑表面Ra0.418 ?m与水的静态接触角109.5?图3b为表面粗糙度Ra6.63 ?m的硅橡胶表面与水的静态接触角为153.5?。表面粗糙度Ra6.63 ?m硅橡胶表面的滚动角为8?滚动角前1

17、0?的进接触角后退接触角超疏水材料是指表面的静态接触角大于150?滚动角小于材料。所以具有合适粗糙度Ra6.63 ?m的硅橡胶材料表面具有超疏水性。从图2ef可知疏水性硅橡胶转变成超疏水性的原因是在表面粗糙度Ra6.63?m的硅橡胶表面形成了微米亚微米级的粗糙结构不仅使材料的静态接触角超过150?还使材料表面的滚动角减小到8?。 2.3.2 表面粗糙度与疏水特性 图4为表面粗糙度与接触角的关系由知当材料表面的粗糙度Ra 6.63 ?m时材料表 图4可0.00.10.20.30.40.50.60.70.8-30-20-100102030 垂直轨迹/?m 行程/mm d0.00.10.20.30.

18、40.50.60.70.8-30-20-100102030 垂直轨迹/?m 行程/mm c 0.00.20.40.60.8-40-30-20-10010203040 垂直轨迹/?m 行程/mm a 0.00.20.40.60.8-40-30-20-10010203040垂直轨迹/?m 行程/mm b图1 硅橡胶材料表面轮廓测量曲线 Fig.1 Surface profile curve of silicone rubber第6期 周蕊等表面粗糙度对硅橡胶材料表面超疏水性的影响 31 图2 硅橡胶材料表面的SEM照片 Fig.2 SEM images of silicone rubber sur

19、face a b图3 试样表面的静态接触角 Fig.3 Static contact angle of sample surface a光滑硅橡胶表面 b表面粗糙度Ra6.63 m的硅橡胶bfa c edd e 3332 中 国 表 面 工 程 2009年 图4 接触角与表面粗糙度的关系 Fig.4 Relationship of static contact angle ofsilicone rubber surface and Rough surface Ra 面与水的静态接触角达到最大值153.5?材料的表面粗糙度出现了一个临界值Ra6.63 ?m。超过这个临界值时材料表面的静态接触角随

20、着表面粗糙度的增加而减小。一定粗糙度范围内Ra6.63 ?m材料表面的静态接触角随着表面粗糙度的增加而增加。从图1的表面轮廓曲线可知当表面粗糙度较小时Ra6.63 ?m表面轮廓曲线中的波峰波谷以及单峰间距较小从图2的扫描照片也可以看出表面形貌中的凹槽和凸起相对较小相对于凹槽半径水滴的相对半径很大此时水滴始终能填满粗糙表面上的凹槽。由于粗糙表面的存在使得实际固液接触面积大于表观几何上观察到的面积由Wenzel模型Cosrcose为Wenzel状态下粗糙表面的接触角e为表面材料的本征接触角r为实际的固/液界面接触面积与表观固/液界面接触面积之比可知表面粗糙度的增加在几何上增强了疏水性亲水性。即当e

21、90?时随着表面粗糙度的增加而降低当e90?时随着表面粗糙度的增加而变大。由于硅橡胶材料本身具有疏水性其表面静态接触角e109.590?所以随着表面粗糙度的增加表面轮廓曲线中的波峰波谷变大单峰间距也变大材料表面的凹槽和突起的平均直径也将增加实际的固/液界面接触面积与表观固/液界面接触面积之比也变大材料表面的静态接触角也大大增加。当表面粗糙度增加到Ra 6.63 ?m时硅橡胶表面形成了类似于荷叶的微米亚微米级的粗糙结构出现了最佳的超疏水性。当表面粗糙度增加到Ra6.63 ?m出现了接近宏观的粗糙结构表面轮廓曲线?械牟宀纫约暗寮渚嘟洗蟛牧媳砻娴陌疾鄣钠骄 本逗退蔚闹本断嗟币桓霭疾奂负蹩梢园 坏嗡

22、未耸蔽?鄞植诙鹊挠攀平档筒牧媳砻娴木蔡 哟撬孀表面粗糙度的增加反而减小。 3 结 论 1 当硅橡胶表面粗糙度Ra6.63 ?m时材料表面与水的静态接触角随着表面粗糙度的增加而增加当Ra6.63 ?m材料表面与水的静态接触角出现最大值153.5?。当表面粗糙度Ra6.63 ?m材料表面与水的静态接触角随着表面粗糙度的增加而减小。 2 当硅橡胶表面粗糙度Ra6.63 ?m时其表面与水的静态接触角达到153.5?滚动角为8?具有了超疏水性。主要原因是其表面形成了类似于荷叶表面的乳突结构。 参考文献 1 蒋兴良 易辉. 输电线路覆冰及防护 J. 北京中国电力出版社 2002. 2 张振明 肖达. RT

23、V 涂层提高绝2008 176-77. 3 Phan C L. Accumulation du 缘子防污闪特性的研究 J. 电气材料verglas sur les noveaux types engineering D isolateurs sous haute tension J. Canadian Electrical Journal 1977 24: 24-28. 4 蒋兴良 舒立春. 覆冰绝缘子长串交流闪络特性2005 714: 128-132. 5 Khalifa M M Morris R 和放电过程研究 J. 中国电机工程学报M. Performance of line insul

24、ators under rime ice J. IEEE TRans on Power Application and Systems 1967 286: 692-698. 6 苑吉河 蒋兴良 张志劲 等. 气压下3种覆冰支柱-15. 7 孙才新 舒立春 绝缘子直流闪络特性研究 J. 中国电机工程学报 2005 251512蒋兴良 等. 高海拔、污秽、覆冰环境条件下超高压线路绝缘子交直流放电特性及闪络电压校正研究 J. 中国电机工程学报 2002 2211: 115-120. 8 Sun C X Jiang X L. Study of flashover performance and 024

25、68101214110120130140150160表面粗糙度Ra/?m 接触角/? 34 第6期 周蕊等表面粗糙度对硅橡胶材料表面超疏水性的影响 31 voltage correction of DC insulator in icing districts of altitude of 2500m and below C/International conference on power system technology proceedings J. Yunnan Science and Technology Press 2002 45: 251-257. 9 杜辕 蒋兴良 林峰等. P

26、RTV涂料对绝缘子串交流冰闪电压的影响 J. 高压电器 2008 442135-138. 10 粟常红 陈庆民. 仿荷叶表面研究进展 J. 化学通报 2008 1: 24-31. 11 金美花 廖明义 翟锦 等. 软模板印刷法制备超疏水性聚苯乙烯膜 J. 化学学报 2008 661145-148. 12 Xie Q D Fan G Q Zhao N et al. Facile creation of a bionic super-hydrophobic block copolymer surface J. Adva Mater 2004 1620: 1830-1833. 13 Jan G Ef

27、imenko Kirill. Creating longlived superhydrophobic polymer surfaces through mecha- nically assembled monolayers J. Science 2000 290: 2130-2133. 14 Hozumi A Takai O. PrepaRation of ultra waterrepellent films by microwave plasma-enhanced CVD J. Thin Solid Films 1997 303: 222-225. 15 Didem ?ner Thomas

28、J. McCarthy. Ultrahydrophobic surfaces effects of topography length scales on wettability J. Langmuir 2000 16 20: 7777-7782. 16 Sun T L Wang G J Feng L et al. Reversible switching between super-hydrophilicity and super-hydrophobicity J. Angew. Chem. Int. Ed 2004 43: 357-360. 17 Feng X J Feng L Jin M

29、 H et al. Reversible super-hydrophobicity to superhydrophilicity transition of aligned ZnO nanorod films J. J. Am. Chem. Soc 2004 1261: 62-63. 18 Jiang L Zhao Y Zhai J. A lotusleaflike superhydrophobic surface: aporous microsphere /Nanofiber composite film prepared by electrohy drodynamics J. Angew.

30、 Chem. Int. Ed 2004 43: 4338-4341. 作者地址: 陕西省西安市咸宁西路28号 710049 西安交通大学电气绝缘国家重点实验室 Tel: 139 9188 4782 E-mail: 上接第23页 29 Baum C Meyer W Stelzer R et al. Average nanorough skin surface of the pilot whale Globicephala melas Delphinidae: considerations on the selfcleaning abilities based on nanoroughness.

31、J. Mar. Biol. 2002 140: 653-657. 30 Bers A V Wahl M. The influence of natural surface microtopographies on fouling J. Biofouling 2004 20: 43-51. 31 Scardino A de Nys R Ison O et al. Microtopography and antifouling properties of the shell surface of the bivalve molluscs Mytilus galloprovincialis and

32、Pinctada imbricata J. Biofouling 2003 19 Supplement: 221-230. 32 Berntsson K M Jonsson P R Lejhall M et al. Analysis of behavioural rejection of microtextured surfaces and implications for recruitment by the barnacle Balanus improvisus J. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 2000 251: 59-83. 33 Jelvestam M Edrud S Petronis S et al. Biomimetic materials with tailored surface microarchitecture for prevention of marine biofouling J. S