對各 pH 值液體超疏水性質的研究

提到超疏水的表面最具代表性的，除了蓮葉就是含氟系的高分子，但 即便是具有化學阻抗性的 PTFE 也鮮少有文獻提到在酸性及鹼性液體的表 面接觸角^【23】。至於其他超疏水表面也多是討論液滴在酸性或是鹼性時的表 面性質，極少同時討論此兩極端時的表面性質，因此我們特地介紹在 pH 1~14 皆可達到超疏水性質的文獻。

2.3.2 表面為奈米結構的碳膜^【22】

2003 年大陸中科院化學所江雷研究員使用陰極氧化鋁模版（Anodic Aluminum Oxide）擠壓 Polyacrylnitrile（PAN），製成如圖 2.14 的奈米針狀 纖維結構。接著再將此 PAN 的針狀纖維表面先後以 220 及 900℃高溫各處 理1 小時，目的是使 PAN 先行開環反應，在保持針狀結構的形貌下進行石 墨化，使表面成為石墨的針狀奈米結構。

圖2.14 PAN 針狀纖維的側面影像^【22】

平面 PAN 薄膜的中性液體接觸角為 100.8°，製成奈米針狀結構後則可 達到 173.8°，但對於酸性及鹼性的液體皆不足以達到超疏水狀態。反觀石 墨結構的碳具有優良的熱穩定性及抗化學性，因此可在酸性或鹼性的狀態 使用，但是各 pH 值液體的表面接觸角也只有 80~85°，也不足以稱為超疏 水表面。因此才使用加高溫的方式將PAN 奈米針狀結構變成石墨的奈米針 狀結構。由圖2.15 的 SEM 影像可得知，石墨化後的表面仍保有粗糙度，並 不因為經過高溫的處理而使粗糙表面崩垮。

圖 2.15 石墨化後粗糙表面的 SEM 影像^【22】

將石墨化過後的粗糙表面使用各pH 值的液滴量測表面接觸角，在 pH 7 的水滴接觸角為161.2°；pH 1 的液滴接觸角為 158.9°；pH 14 的液滴接觸角 為159.3°，圖 2.16 為水滴在粗糙表面上的影像。接著將各 pH 值液滴所量測 得到的表面接觸角整理成圖 2.17，在儀器的誤差範圍內，液滴的表面接觸 角都保持在154.1~164.2°間，皆是呈現超疏水狀態。由此可確認此石墨化的

圖2.16 不同 pH 值液滴在石墨粗糙表面的影像^【22】

（A）pH 7：161.2°；（B）pH 1：158.9°；（C）pH 14：159.3°

圖2.17 石墨粗糙表面使用各 pH 值液滴時的表面接觸角^【22】

表面達到超疏水的主要原因是因為奈米尺寸的纖維將空氣保留在空隙 中，使得液滴接觸由石墨纖維及大量空氣所組成的複合表面，因此液滴是 由空氣撐住，得以呈現出超疏水現象。再加上表面固體的部份是由具良好 的抗酸耐鹼性質石墨纖維組成，因此對於酸性及鹼性的液體也有超疏水表 現。另外若將此表面浸入酸性或鹼性的液體中24 小時，乾燥後的表面對中 性液體的接觸角仍是保持在150°以上，表示此表面的確具有抗酸耐鹼性。

A B C

一般說來，要製備抗酸耐鹼性質的表面時，最先被想到的材料是含氟 Poly(dimethylsiloxane) vinyl terminated（PDMSVT），再將這2 個覆蓋不同化 合物的表面以80℃回火兩小時，完成後的膜厚約為 2±1 奈米。

面接觸角變動最大，是 157~168°，當液滴 pH 值在 7 以上時，表面接觸角 則保持在168°。但不管是鋁還是鋁合金，也不管是使用何種 pH 值的液體，

全部都是超疏水表面。另外若將這此兩表面浸泡入酸性、鹼性及中性的液 體中數小時，乾燥後的表面對水滴的表面接觸角仍無變化，表示此兩表面 和前一篇文獻所製造出的表面一樣，也具有抗酸耐鹼性。

圖2.18 鋁及鋁合金粗糙表面使用各 pH 值液滴時的表面接觸角^【23】

可以呈現出超疏水性質的主要原因有二，除了使用含氟或含矽的化合 物之外，另一個原因則是表面形貌的影響，由圖 2.19 可以看出，在鋁及鋁 合金表面被 NaOH 所製造出的粗糙度，是結合了微米及奈米級的粗糙度，

和蓮葉的表面結構相同，這種結構與前一篇文獻相同，都會將大量的空氣 保留在空隙中，接著再輔以本就疏水的含氟及含矽化合物，使得可以達到 各pH 值的超疏水狀態。

圖2.19 鋁及鋁合金粗糙表面之 SEM 影像^【23】

（A）覆蓋上 C9F20的鋁表面；（B）覆蓋上 PDMSVT 的鋁合金表面

在製備這兩個在各pH 值皆可達到超疏水性質的表面時，相對於前一篇 文獻所使用的方法及材料，都較簡單也較便宜，因此可以期待此方法在生 產及應用超疏水工業材料方面，會有大範圍的進步。

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