全 文 ：第 39 卷第 8 期
2011年 8月
化　工　新　型　材　料
NEW CHEM ICAL MATERIA LS
Vol.39 No.8
· 103·
基金项目:河西学院西部资源环境化学重点实验室基金资助项目(XZ0706)
作者简介:冯晓娟 ,女 ,硕士 ,讲师;研究方向:新能源材料。
旱金莲叶 、花表面的超疏水性研究
冯晓娟1 　石彦龙1　杨　武2 　安红钢1
(1.河西学院化学系 , 张掖 734000;2.西北师范大学化学化工学院 ,
生态环境相关高分子材料教育部重点实验室 , 兰州 730070)
摘　要　旱金莲的叶 、花表面有很好的超疏水性 ,水滴在其表面的静态接触角为 150°、145°, 滚动角分别约为 5°、10°,
通过扫描电镜观察发现 ,在其叶 、花的表面分布有大量呈规则排列的微纳米级复合“花簇” 、“凹槽” 。微纳米复合结构使其
表面有良好的超疏水性 ,雨后 , 能保持“滴水不沾” 、“一尘不染” 。采用 Cassie理论对其表面的超疏水性进行了理论分析。
关键词　旱金莲 ,超疏水 , 接触角 ,花 , 叶
The study on super-hydrophobicity of the surfaces of nasturtium s
leaves and flowers
Feng Xiaojuan1 　Shi Yanlong 1 　Yang Wu2 　An Honggang 1
(1.Chemist ry Faculty of Hexi Unive rsity , Zhangye 734000;2.Co lleg e of Chemist ry and Chemical
Engineering , Key Lab of Eco-Environmental Related Polymer M aterials of MOE , Northw est
Normal University , Lanzhou 730070)
Abstract　There exhibited supe r-hydrophobicity of surface of flow ers and leaves of Nasturtium , the contact ang le s
on leaves and f low er s were about 150°and 145°, respectively , the g lide ang le wa s appro ximately 5°and 10°.Many regularly
arr anged composite gr ooves and flo ral cluster s o f micro and nanometer s w ere found on the surface s by field emission scan-
ning electron mic roscope(FE-SEM).The super-hydrophobicity was fo rmed due to the coopera te effect o f micr o and nano
composite structures and the low surface of f ree ene rgy , the special str uctures o f flow ers and leave s kep the surface clean
and dry af te r raining.F inally , the supe r-hydrophobicity w as discussed on the basis of Cassie s theory.
Key words　na stur tium , super-hydrophobicity , contact ang le , flowe r , leave
　　旱金莲又名金莲花 、旱莲花。属旱金莲科旱金莲属植物。
系一年或多年生的蔓生肉质草本。叶近圆形 , 边缘有波状钝
角 ,略似小荷叶 , 叶色深绿或浅绿 , 叶脉明显。花瓣 5 玫深裂 ,
基部狭窄成爪 ,形似喇叭 , 花色有橙有黄 , 黄色居多 , 喜温暖 、
湿润环境。雨后 ,也许你会发现 , 很多树叶会在阳光下闪闪发
亮 ,这是由于在树叶的表面有一层水膜 , 而旱金莲的叶 、花表
面却“滴水不沾” 、“一尘不染” , 这说明在旱金莲的花 、叶表面
有很好的超疏水性。研究发现 , 在一些植物(如荷叶[ 1-2] 、水稻
叶[ 3])的叶面 、某些昆虫的身体部位(水黾腿部[ 4] 、蝉翼表
面[ 5])都有超疏水性。
超疏水性是固体表面一种重要的物理性质 , 通常用接触
角衡量固体表面的超疏水性 , 当水滴在固体表面的接触角大
于 150°时 , 称之为超疏水表面。超疏水表面因其在防腐 、防
雪 、抗氧化 、减少流体的黏滞等方面有广泛的应用前景而引起
人们的极大关注。受荷叶表面超疏水效应的启发及超疏水表
面广泛的应用前景 , 人们仿生制备了各种超疏水表面。一种
是在低表面能材料上构建粗糙结构;另一种是先构建粗糙的
表面微结构 ,再用低表面能材料修饰。目前 , 构建固体表面粗
糙结构的方法有阳极氧化法[ 6] 、光刻蚀技术[ 7] 、等离子体刻
蚀[8] 、模板法[ 9] 、等离子体聚合法[ 10] 、化学气相沉积[ 11] 、相分
离技术[ 12] 等。常用来修饰粗糙表面的低表面能材料有氟化烷
基硅烷[ 13] 、氟聚合物[ 14]等。
本方法以旱金莲为研究对象 , 详细观察其叶 、花表面的微
结构 ,通过理论分析 ,研究其表面的超疏水性和其表面的微结
构的关系 ,期望对旱金莲的生成习性及超疏水表面微结构的
构建提供新的思路。
1　材料与方法
实验中的旱金莲叶 、花于 10 月初在张掖河西学院采集 ,
从叶 、花小心裁剪1cm×1cm 的样本 , 置于载玻片上 ,分别测量
其表面的接触角和滚动角。
采用 JSM-5601F冷场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM ,
日本电子光学公司)分析观察其表面的微观结构和形貌 , SEM
的分辨率约为 1.0nm(15kV);水滴与样品表面接触角由德国
KRǜSS 的 DSA100 接触角仪测量 , 水滴量为 5uL 。
2　结果与讨论
2.1　旱金莲花 、叶表面的 FE-SEM分析
化 工 新 型 材 料 第 39 卷
图 1 是旱金莲叶 、花表面的扫描电镜图 , 从图可以看出 ,
旱金莲的叶面 ,“层峦叠嶂” 、“沟壑纵横” ,叶面分布着大量“此
起彼伏”的“山包”(图 1a), 宽约 10 ～ 15um ,“山包”表面“树木
葱茏” ,“郁郁葱葱” ,经放大倍数观察发现(图 1b),在“山包”表
面分布的是“千姿百态” 、“奇形怪状”的纳米“花簇” , “花簇”由
宽约 50nm , 长约 100 ～ 150nm 的纳米柱堆砌而成。 在旱金莲
的花表面 ,分布有大量规则排列 、“精彩绝伦”的“花瓣” , 又似
一个个“美轮美奂”的贝壳和倒立的“安全帽”(见图 1c), “花
瓣”宽约 25um ,长约 30um , “帽檐” 呈三角形状 , 上有大量“褶
皱”和“凹槽” , 槽深约 300nm , 槽底宽约 250nm(见图 1d)。由
此可见 ,在旱金莲叶 、花表面有大量呈规则排列的微纳米级复
合结构。
图 1　旱金莲叶(a , b)、花(c , d)表面的扫描电镜图
2.2　旱金莲花 、叶表面的超疏水性分析
图 2a , b 为旱金莲花 、叶表面的数码相机图 , 经接触角测
量仪测定 , 水滴在旱金莲花 、叶表面的接触角分别是 150°、
145°(如图 2c , d 所示), 表现为超疏水性。水滴在其表面很不
稳定 ,其滚动角分别接近 5°和 10°(注:因旱金莲的叶 、花并非
平整表面 ,只能将其分别放在载玻片上 , 粗略测量水滴在其表
面的接触角和滚动角)。
图 2　水滴在金丝莲叶 、花表面的接触角数码
(a , b)和光学显微图(c , d)
水滴在这种微纳米级结构表面时 , 无法穿透这些微结构 ,
只能停留在纳米级“花簇“或”“凹槽”的顶端 ,大面积的“花簇”
和“凹槽”结构 , 最小化了水滴与旱金莲花 、叶表面的接触面
积 , 此外 ,植物叶片表面膜主要是由 C 和 O 等元素构成的有机
蜡状物 ,具有低的表面能[ 3] 。粗糙的微纳米复合结构及表面
的低表面能物质的协同作用 , 大大减弱了旱金莲的花 、叶面与
灰尘的粘附 , 在水滴滚动的过程中会带走这些低粘附力的灰
尘 ,从而使旱金莲叶 、花表面在雨后“一尘不染” 、“滴水不沾” 。
根据 Cassie理论[15] ,液滴在这种微纳米级粗糙表面的接触是
一种复合接触。微细结构化了的表面因为结构尺度小于表面
液滴的尺度而增强了水滴在其表面的悬浮 , 在这种疏水表面 ,
液滴并不能填满粗糙表面的凹槽 , 在液珠下将有截留的空气
存在 ,于是表观上的液固接触面其实由固体和气体共同组成。
根据 Cassie方程:
Cosθ＊=fs(1+ Cosθe)-1 (1)
式中 , θ＊表示粗糙表面的表观接触角 , fs 表示水滴下面
水滴与基底的接触界面占复合界面的面积分数(相应地 , 1-fs
则表示水滴与空气的接触界面所占的面积分数),θe 表示具有
和粗糙表面相同化学组成的平表面的接触角 , 如果 fs =0 ,
Cosθ＊=180°, 液滴将“坐”在“针尖”上 , 表现出理想的超疏水
现象 ,因此 , 表面的多级微纳米粗糙结构及其表面的低表面能
物质对于表面的超疏水性会起到决定性作用。
3　结论
旱金莲的叶 、花表面有较好的超疏水性 ,水滴在其表面的
静态接触角达到 150°、145°,滚动角接近 5°和 10°, 通过扫描电
子显微镜观察发现 , 其表面分布有大量规则排列的微纳米级
的复合结构 , 多级微纳米“凹槽” 或“花簇” 可以有效地吸附空
气在其表面形成一层稳定的气膜 , 此外 , 花 、叶表面的化学物
质是有机蜡状物 , 表面能较低 ,粗糙的微纳米复合结构和低表
面能的化学物质的协同作用能够阻碍水滴的浸润 , 宏观上表
现为超疏水性。该发现希望能为研究旱金莲的喜湿生活习性
和通过表面微结构的构筑制备仿生超疏水表面提供新的
思路。
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收稿日期:2010-12-17
(上接第 95页)
800MPa· s)对含量均为 60mg/ L 的 Pb2+和 Cu2+的合成水样
进行处理 ,其结果见图 5 和图 6。
图 5　合成水样的 pH 值对絮凝效果的影响
2.2.1　废水 pH 值对 PAC-CTS 絮凝性能的影响
图 5 为不同 pH 值 , PAC-C TS 对 Pb2+和 Cu2+的金属合
成水样的处理效果 ,其中复合絮凝剂的投加量为 5mg/ L时。
由图 5 可知 , pH =8 时 , Cu2+的去除率最高为 75%;当
pH=7 时 Pb2+的去除率最高为 71%。但溶液 pH 值过高时 ,
其中的多数金属离子会被水解成为羟基络合物 , 从而影响到
壳聚糖的吸附;而当溶液中的 pH 值过低时 , 氨基(-NH2)被
大量质子化成-NH3+ , 削弱了絮凝剂对氨基(-NH 2)的螯合作
用 ,从而使吸附量降低。所以检测表明壳聚糖复合絮凝剂处
理含有 Cu2+和 Pb2+的合成水样的 pH 值应为 6～ 8 为最优。
2.2.2　不同复合絮凝剂投加量对废水絮凝效果的影响
图 6 为投加量不同 , pH 值=8 时 , PAC-CTS 对 Pb2+和
Cu2+的金属合成水样的处理效果。
图 6　复合絮凝剂用量对金属合成水样处理效果的影响
　　由图 6 可知 ,当废水 pH =8 , 投加量为 4mg/ L时 , 对 Cu2+
的去除效果达到最优(去除率为 84%), 当投加量为 5mg/ L
时 ,对 Pb2+去除效果达到最优(去除率为 72%)。
3　结论
用聚合氯化铝与壳聚糖制备了复合絮凝剂 PAC-CTS。
并用其对模拟染料和合成废水进行了絮凝性能研究 , 絮凝剂
在曙红染料和湖蓝染料的最佳投加量分别为 40.0mg/ L 和
30.0mg/ L ,当絮凝剂的碱化度为 2.0 , C=1/ 10 时 , 其絮凝效
果最佳 ,脱色率和 COD均高达 99%以上。在对金属废水的絮
凝实验中 ,废水pH =8时 , 投加量为 4mg/ L时 , Cu2+去除率为
84%;当投加量为 5mg/ L 时 , Pb2+去除率为 72%。 PAC-CTS
充分发挥了无机-有机絮凝剂的协同作用 ,具有很高效的絮
凝效果 ,且投药量低 ,具有良好的工业应用前景。
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收稿日期:2010-12-04
修改日期:2011-08-01
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