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疏水 编辑

词条创建者 匿名用户

疏水性

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在化学中,疏水性是分子的物理特性,它似乎被大量水(称为疏水物)排斥。相反,亲水生物被水吸引。疏水分子往往是非极性的,因此更喜欢其他中性分子和非极性溶剂。因为水分子是极性的,疏水物在它们之间不能很好地溶解。水中的疏水分子经常聚集在一起,形成胶束。疏水表面上的水将表现出高接触角。疏水分子的例子包括烷烃、油、脂肪和一般的油腻物质。疏水材料用于从水中除油、溢油管理以及从极性化合物中去除非极性物质的化学分离过程。疏水性通常与亲脂性、嗜脂性互换使用。但是,这两个术语不是同义词。虽然疏水物质通常是亲油的,但也有例外,例如有机硅和碳氟化合物。术语hydrophobe来自古希腊语ὑδρόφόβος(hýdrophóbos),对水有恐惧,由古希腊语ὕδωρ(húdōr)“水”和古希腊语φόβος(phóbos)“恐惧”构成。

化学背景

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疏水相互作用主要是一种熵效应,源于非极性溶质在非极性分子周围形成笼形结构,破坏了液态水分子之间的高动态氢键。形成的这种结构比自由水分子更高度有序,因为水分子排列自己尽可能多地与自己相互作用,从而导致更高的熵状态,导致非极性分子聚集在一起以减少暴露的表面积水和降低系统的熵。因此,两个不混溶相(亲水相与疏水相)将发生变化,从而使它们相应的界面面积最小。这种效应可以在称为相分离的现象中可视化。

超疏水性

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超疏水表面,例如莲花植物的叶子,是那些极难润湿的表面。水滴的接触角超过150°。这被称为莲花效应,主要是与界面张力有关的物理性质,而不是化学性质。最近基于表面粗糙度和表面能开发了一种用于在Wenzel和Cassie-Baxter状态之间切换的新标准。该标准侧重于粗糙表面上液滴下的空气捕获能力,这可以判断是否应该使用Wenzel模型或Cassie-Baxter模型来确定表面粗糙度和能量的组合。接触角是静态疏水性的量度,接触角滞后和滑动角是动态量度。接触角滞后现象是一种表征表面异质性的现象。当移液器将液体注入固体时,液体会形成一定的接触角。随着移液管注入更多液体,液滴体积会增加,接触角会增加,但其三相边界会保持静止,直到突然向外推进。液滴在即将向外前进之前所具有的接触角称为前进接触角。现在通过将液体泵出液滴来测量后退接触角。液滴体积减小,接触角减小,但其三相边界将保持静止,直到突然向内后退。液滴在即将向内后退之前所具有的接触角称为后退接触角。前进和后退接触角之间的差异称为接触角滞后,可用于表征表面异质性、粗糙度和流动性。不均匀的表面将具有阻碍接触线运动的区域。滑动角是疏水性的另一种动态测量,通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。一般来说,Cassie-Baxter态的液体比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。前进和后退接触角之间的差异称为接触角滞后,可用于表征表面异质性、粗糙度和流动性。不均匀的表面将具有阻碍接触线运动的区域。滑动角是疏水性的另一种动态测量,通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。一般来说,Cassie-Baxter态的液体比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。前进和后退接触角之间的差异称为接触角滞后,可用于表征表面异质性、粗糙度和流动性。不均匀的表面将具有阻碍接触线运动的区域。滑动角是疏水性的另一种动态测量,通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。一般来说,Cassie-Baxter态的液体比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。滑动角是疏水性的另一种动态测量,通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。一般来说,Cassie-Baxter态的液体比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。滑动角是疏水性的另一种动态测量,通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。一般来说,Cassie-Baxter态的液体比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。

疏水的研究与开发

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Dettre和Johnson在1964年发现超疏水荷花效应现象与粗糙的疏水表面有关,他们基于用石蜡或TFE调聚物涂覆的玻璃珠的实验开发了一个理论模型。1977年报道了超疏水微纳米结构表面的自清洁性能。1986年至1995年间,全氟烷基、全氟聚醚和射频等离子体形成的超疏水材料被开发、用于电润湿并商业化用于生物医学应用。其他技术和应用有自1990年代中期出现。2002年公开了一种以一个或两个步骤应用的耐用超疏水分级组合物,其包含覆盖具有微米级特征或颗粒≤100微米的表面的≤100纳米的纳米级颗粒。在最近的研究中,通过允许烷基烯酮二聚体(AKD)固化成纳米结构的分形表面,已经报道了超疏水性。此后,许多论文提出了生产超疏水表面的制造方法,包括颗粒沉积、溶胶-凝胶技术、等离子体处理、气相沉积和铸造技术。当前研究影响的机会主要在于基础研究和实际制造。最近出现了关于Wenzel和Cassie-Baxter模型的适用性的争论。在一项旨在挑战Wenzel和Cassie-Baxter模型的表面能透视并促进接触线透视的实验中,将水滴放置在粗糙疏水场中的光滑疏水点上,在光滑疏水场中放置粗糙疏水点,和疏水场中的亲水点。实验表明,接触线处的表面化学和几何形状会影响接触角和接触角滞后,但接触线内的表面积没有影响。还提出了一个论点,即接触线中锯齿状的增加会增强液滴的流动性。自然界中发现的许多疏水材料都依赖于卡西定律,并且在亚微米水平上是双相的,具有一种成分的空气。莲花效应就是基于这个原理。受其启发,制备了许多功能性超疏水表面。纳米技术中仿生或仿生超疏水材料的一个例子是纳米针薄膜。一项研究提出了一种五氧化二钒表面,它在紫外线辐射的影响下在超疏水性和超亲水性之间可逆地切换。根据这项研究,任何表面都可以通过应用玫瑰状V2O5颗粒的悬浮液来改变这种效果,例如使用喷墨打印机。层间气穴(相隔2.1nm距离)再次诱导疏水性。还解释了紫外线效应。紫外光产生电子-空穴对,空穴与晶格氧反应,产生表面氧空位,而电子将V5+还原为V3+。氧空位与水相遇,正是钒表面的这种吸水性使其具有亲水性。

疏水

通过在黑暗中长时间储存​​,水被氧气取代,亲水性再次丧失。绝大多数疏水表面具有通过涂层或表面处理对散装材料表面进行结构或化学改性而赋予的疏水特性。也就是说,分子种类(通常是有机的)或结构特征的存在导致水的高接触角。近年来,稀土氧化物已被证明具有内在的疏水性。稀土氧化物的内在疏水性取决于表面取向和氧空位水平,并且自然比涂层或表面处理更坚固,在可在高温或腐蚀性环境下运行的冷凝器和催化剂中具有潜在应用。

应用和潜在应用

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自20世纪中叶开始生产疏水混凝土。最近对超疏水材料的积极研究可能最终导致更多的工业应用。已经报道了一种通过溶胶-凝胶技术在棉织物上涂上二氧化硅或二氧化钛颗粒的简单程序,它可以保护织物免受紫外线照射并使其具有超疏水性。已经报道了一种使聚乙烯具有超疏水性并因此具有自清洁能力的有效程序。这种表面上99%的污垢很容易被冲走。图案化的超疏水表面也有望用于芯片实验室微流体设备,并且可以显着改善基于表面的生物分析。在制药领域,药物混合物的疏水性会影响最终产品的重要质量属性,例如药物溶出度和硬度。已经开发了测量药物材料疏水性的方法。


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  1. 疏水性
  2. 化学背景
  3. 超疏水性
  4. 疏水的研究与开发
  5. 应用和潜在应用

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