【应用】荷叶效应的趣味试验：荷叶粉可以提高材料疏水性吗？

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研究背景

每当提到荷花，总能想起周敦颐的《爱莲说》“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，而后有白居易《琵琶行》的“大珠小珠落玉盘”。荷叶效应的奥秘，也很早就被揭露出来。荷叶表面由纳米蜡质晶体组成的微米级突起，这种复杂的“微米-纳米”双重结构，使得荷叶产生“超疏水”和“自清洁”特性。模仿荷叶的结构，制备出超疏水材料用于自清洁，油水分离，抗腐蚀，防结冰等，已成为近几年研究的热点。而韩国鞋类和皮革技术研究所的jae hwan chuna更简单粗暴，将荷叶磨碎成荷叶粉，直接加到uv光固化材料中，提高疏水性。

整片荷叶有疏水的效果，将荷叶磨碎，是否还能保持疏水的效果呢？

光固化材料 

对于uv光固化材料的自洁和耐污功能，通常是在分子结构中引入能硅或氟的结构，降低材料的表面能，或者同时在分子链中引入憎水和亲水的官能团得到两性结构。这种方法的一个重要挑战就是降低表面能的同时，材料和配方中其他组分相容性的平衡的问题。相容性差，固化后材料的表面性能就会很差。而相容性太好，其耐污自洁功能又会大打折扣。

韩国鞋类和皮革技术研究所的jae hwan chuna等人采用首先使用全氟聚醚多元醇制备含有全氟结构的光固化聚氨酯材料，然后尝试在光固化材料中添加荷叶粉来降低表面能，增加疏水性。

荷叶粉制作

荷叶粉制作：是首先将荷叶切割成小片，再用自来水和去离子水分别冲洗多次，之后在室温下(25c°)干燥两周。然后采用多混合器研磨机研磨成粉，再用孔径≤45微米的不锈钢丝网筛筛选，最后在室温下真空干燥过夜得到最终的荷叶粉(llp)。

疏水效果评价 

聚氨酯(pua)树脂通过聚碳酸酯多元醇，全氟聚醚多元醇(pfpe)和hmdi来制备得到的。未添加pfpe的聚氨酯的接触角为76°，添加了2mol%和10mol%的pfpe之后，聚氨酯的接触角分别提高到了101°和107°。添加的大部分pfpe都被隔离在表面，和其他组分的相容性很差，会大大影响最终材料的物理机械性能。

为了增加聚氨酯的疏水性，将磨碎后的荷叶粉加入到复合材料中。图1为不同组分的荷叶粉复合材料的接触角测试数据，添加了荷叶粉后，聚氨酯的疏水性提高。除此之外，聚氨酯中引入少量含氟官能团比单独添加荷叶粉效果要好。

仪器：krüss dsa25接触角分析仪

表1.添加不同含量荷叶粉的接触角和表面能

 从sem图中也能看出来，原始的聚氨酯材料表面光滑，添加荷叶粉后，荷叶粉团聚在表面，一方面，粗糙度的增加，提高了疏水性，另一方面，荷叶本身蜡质疏水性能， 也增加了疏水效果。

图2. 聚氨酯和添加了不同含量荷叶粉的sem图

通常情况下，超疏水的材料比较难在高分子基材分散均匀，倾向于团聚在表面降低材料的表面能，这会造成高分子材料的机械性能变差，所以添加要适量。

参考文献：

jae hwan chun. coating properties of uv-curable polyurethane acrylate composites with lotus leaf powder,2018.