韻建鵬

摘 要：近年來，超疏水表面因具備防污、抗冰、防霧、耐腐蝕、油水分離等諸多性能而備受關(guān)注，同時(shí)對(duì)其研究也日益深入，在社會(huì)生活生產(chǎn)中彰顯了廣闊的應(yīng)用潛力。對(duì)此，筆者從超疏水表面的基礎(chǔ)理論出發(fā)，分析了其制備技術(shù)，并就其應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)作了探討，希望對(duì)促進(jìn)超疏水表面的健康發(fā)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：超疏水表面;接觸角;制備技術(shù);應(yīng)用

一、前言

在科技力量的推動(dòng)下，人們對(duì)超疏水表面的研究愈發(fā)成熟，不僅制備技術(shù)多種多樣，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，為日常生活與工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了重要的價(jià)值。但結(jié)合實(shí)際情況來看，超疏水表面還有一些問題亟待解決，需要我們通過技術(shù)創(chuàng)新予以完善，使其更好的造福于人。

二、、超疏水表面的基礎(chǔ)理論

（一）內(nèi)涵特點(diǎn)

大自然中有許多現(xiàn)象值得我們?nèi)祟惾W(xué)習(xí)和探索，并將其用于日常生活與社會(huì)活動(dòng)中，其中“荷葉效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)促使人們開始了對(duì)超疏水表面的研究。所謂的超疏水表面是相對(duì)親水表面而言的，以液體水為例，若固體表面與水的接觸角低于90°，通常稱其為親水表面;若接觸角大于90°通常稱其為疏水表面;若接觸角在150°以上則為超疏水表面。較之一般的疏水表面，超疏水表面性能更優(yōu)，具備防水、減阻、防污染、防覆冰、防閃絡(luò)、防腐蝕等多種特性，在房屋建筑、流體減阻、航空航海、電力電子、生物醫(yī)藥等行業(yè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用。足以見得，超疏水表面應(yīng)用價(jià)值高、應(yīng)用前景廣，值得深入研究。

（二）基礎(chǔ)理論

不過在制備與應(yīng)用超疏水表面前我們應(yīng)對(duì)其基礎(chǔ)理論有所了解。

1. Young’s方程

浸潤(rùn)性常被用于反映固體表面的特性，在很大程度上取決于物體表面的化學(xué)構(gòu)成與微觀粗糙結(jié)構(gòu)，對(duì)此T.Young指出，理想而光滑的固體表面處于水平放置狀態(tài)時(shí)，其接觸角θ（本征接觸角）與液-固、液-氣和固-氣三相接觸線的界面張力有關(guān)，并提出了Young’s方程，即，其中分別代表本征接觸角、固-氣表面張力、液-固表面張力、液-氣表面張力[1]。

2. Wenzel模型

由于實(shí)際生活中的物體表面均有一定的粗糙度，并不存在絕對(duì)光滑的表面，故Wenzel研究了物體粗糙度與浸潤(rùn)性之間的關(guān)系，并提出了Wenzel模型，即因物體表面存在粗糙度，使得水滴浸潤(rùn)至間隙中得到表面粗糙因子r大于1，且隨著r的增加，θ < 90°的物體表面會(huì)更為親水，θ > 90°的物體表面會(huì)更加疏水（見圖1）[2]。

3. Cassie-Baxter 模型

Wenzel模型的研究對(duì)象是均相粗糙固體表面的浸潤(rùn)性，不適用于異相粗糙表面，因此Cassie和Baxter提出了復(fù)合接觸表面的構(gòu)想，即液體與固體、氣體復(fù)合接觸的表面，方程式為，其中，分別表示液-固接觸角和液-氣接觸角，分別代表兩種接觸所占比例，經(jīng)簡(jiǎn)化得知，當(dāng)液-固接觸面積所占百分比增大時(shí)，超疏水表面接觸角會(huì)隨之減小;當(dāng)液-氣接觸面積所占百分比增大時(shí)，超疏水表面接觸角則會(huì)隨之增大（見圖2）[3]。

三、超疏水表面的制備技術(shù)

自研究超疏水表面以來，專家學(xué)者們提出了探索了多種制備技術(shù)，像物理法、化學(xué)法以及兩者的結(jié)合都有所涉及，下面就常見的幾種超疏水表面制備方法和技術(shù)進(jìn)行分析。

（一）相對(duì)簡(jiǎn)單的模板法

模板法無需大型設(shè)備，通常借助自然界動(dòng)植物表面即可完成，所以，一般適用于實(shí)驗(yàn)室研究，如果以金屬等物質(zhì)表面為微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿制，不僅可以反復(fù)使用，還有望實(shí)現(xiàn)超疏水表面的大面積制備。當(dāng)下可用于模板的可以是含有超疏水特性的動(dòng)植物表面，也可以是含有微納粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，配以易固化、流動(dòng)性、表面能低的聚二甲基硅氧烷（PDMS）、硅橡膠等高分子聚合物獲得微納結(jié)構(gòu)用于超疏水表面的制備。如Sun等人基于自然荷葉結(jié)合使用PDMS經(jīng)納米澆注壓印以及二次復(fù)印，可以得到類似于荷葉表面、超疏水性良好的類乳突納米結(jié)構(gòu);Yuan 等人基于芋頭葉制備的超疏水PS膜，接觸角和滾動(dòng)角可分別達(dá)到158°± 1.6°與3°;Feng等人基于多孔氧化鋁和前驅(qū)物PAN，利用擠壓法獲得了接觸角為173.8°的納米纖維，顯然具備良好的超疏水性[4]。

（二）操作性強(qiáng)的溶液凝膠法

該法需要借助高活性的有機(jī)物為前驅(qū)體，使其在低溫環(huán)境下經(jīng)水解、縮合等反應(yīng)得到溶膠體系，然后以勻涂、噴涂、浸漬等形式將其涂于基體材料上，待固化后可形成粗糙微結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)表面能較低的物質(zhì)加以修飾得到超疏水表面。Xue等人以TMES為共前驅(qū)體的同時(shí)，通過對(duì)TMES/TEOS的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)而制備的Si2O薄膜無需氟化便能得到良好的超疏水性[5]。雖然選用溶液凝膠法制備超疏水表面簡(jiǎn)單易行、成本較低，但耗時(shí)長(zhǎng)，而且有機(jī)溶劑通常有毒且容易揮發(fā)，固化后的溶膠機(jī)械性能也有所降低。

（三）高效經(jīng)濟(jì)的化學(xué)刻蝕法

簡(jiǎn)單地說，就是利用腐蝕性鹽溶液刻蝕金屬、合金等物質(zhì)，經(jīng)合理控制刻蝕時(shí)間、濃度、刻蝕劑得到相應(yīng)的微納粗糙結(jié)構(gòu)，隨后借助地表面能物質(zhì)對(duì)其進(jìn)行低能處理進(jìn)而得到超疏水表面，相對(duì)來說，在此基礎(chǔ)上制備的表面結(jié)構(gòu)不僅漂亮均一，而且超疏水性高，成本較低，如黃子發(fā)等人以草酸、鹽酸為刻蝕劑刻蝕鋁合金后，配以硬脂酸修飾表面，得到的微納米“洼池”結(jié)構(gòu)深淺相間，超疏水效果顯著，接觸角達(dá)到了166°;Wang等人經(jīng)硫酸溶液刻蝕Mg表面結(jié)合硬脂酸修飾獲得的超疏水表面為花狀結(jié)構(gòu)，接觸角與滾動(dòng)角分別為154°和3°[6]。不足之處在于該制備技術(shù)會(huì)影響金屬、合金的機(jī)械性能和外觀美，若酸堿廢液處理不當(dāng)還易引發(fā)環(huán)境污染。

（四）工藝繁瑣但精密的光刻法

與一般的制備技術(shù)不同，光刻法工藝繁瑣且設(shè)備往往精密、大型、昂貴，即先轉(zhuǎn)移掩膜版上的幾何圖形至基片表面中的光刻膠膜上，經(jīng)曝光至刻蝕操作復(fù)制圖像至襯底基片表面，進(jìn)而獲得永久性圖形。如Pozzato等人在硅基體上結(jié)合使用納米壓印光刻與濕化學(xué)刻蝕而制備的超疏水表面，歷經(jīng)了涂膠、壓印、去膜、曝光、顯影、刻蝕等一系列操作才得到條紋結(jié)構(gòu)，然后在其表面自組裝OTS得到的超疏水表面前進(jìn)和后接觸角分別為167°和165°[7]。由于該制備技術(shù)精密、操作復(fù)雜，適用于制備特殊結(jié)構(gòu)的超疏水表面，不適用于實(shí)驗(yàn)室。

（五）加工效率高的激光加工法

應(yīng)用廣泛的激光加工法大多采用的是固體、液體、氣體等激光技術(shù)加工材料表面進(jìn)而得到合適的微納粗糙結(jié)構(gòu)，像飛秒、皮秒、準(zhǔn)分子、納秒等激光均有所應(yīng)用。如Liang等人基于飛秒激光對(duì)PTFE表面進(jìn)行輻照獲得了類森林結(jié)構(gòu)，且加工后的表面拒水性能優(yōu)異、粘附力極低的超疏水表面[8]。該制備技術(shù)效率高、參數(shù)可控，也可用于表面細(xì)微加工，但存在設(shè)備高昂的障礙。

（六）特殊有效的靜電紡絲技術(shù)

該技術(shù)比較特殊，經(jīng)常用于微納米纖維結(jié)構(gòu)的制備，即在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下對(duì)聚合物溶液或熔融體噴射紡絲，隨后在基體材料上沉積固化形成三維空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如Jiang等人利用該法制備的超疏水PS薄膜兼具納米纖維和多孔微球的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[9]。

此外，超疏水表面的制備技術(shù)還有很多，如物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、自組裝法、等離子法等，但其各有利弊，需要視具體情況予以選擇。值得一提的是，未來的超疏水制備技術(shù)，應(yīng)該更為簡(jiǎn)單方便、適于規(guī)劃化生產(chǎn)。

四、超疏水表面的應(yīng)用領(lǐng)域

正是因?yàn)槌杷砻嬖诳贡?、防霧、防腐、隱身、抗污、油水分離等方面有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，促使其備受關(guān)注成為研究熱點(diǎn)，更在很大程度上決定了超疏水材料在建筑、紡織、交通、航天、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。

（一）用于建筑防水

較之傳統(tǒng)的建筑防水措施，超疏水表面優(yōu)良的疏水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于一般的防水涂料、防水卷材等材料，適用于建筑外墻、內(nèi)墻、金屬框架、玻璃、地下室等方面。如充分利用超疏水表面的自清潔功能，即受滾動(dòng)角小和接觸角大的影響，水滴極易在表面發(fā)生滾動(dòng)，在此過程中可通過粘附污染物達(dá)到自清潔的目的（示意圖見圖3），因此專家學(xué)者研發(fā)了適用于建筑的多種超疏水表面材料，如先后制備超疏水填料和自清潔涂料而成的涂料，可以噴涂、滾涂、刷涂等方式涂至泡沫水泥保溫板上用于建筑外墻防水;基于玻璃噴涂工藝得到的超疏水透明自清潔表面，即使處于12 h的300℃高溫、高強(qiáng)輻射和1 h的高速水流沖擊，也能保持良好的超疏水自清潔性能;在復(fù)合含氟丙烯酸溶液與有機(jī)硅乳液的基礎(chǔ)上使用納米二氧化硅制備而成的超疏水涂料，不僅工藝簡(jiǎn)單，在室溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)固化，還具備穩(wěn)定的超疏水性和良好的抗臟污性，是一種環(huán)境友好型涂料;基膠為含氟聚硅氧烷和107#硅橡膠共混膠，借助特殊的梯度涂覆工藝獲得的超疏水涂料具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)，而且制作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效，值得進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

除此之外，膜材料作為紡織品的一大分支，在建筑中也有用武之地，其主要包括織物基材、涂層材和表面處理層三部分（見圖4），由此制成的超疏水膜材具有安裝快捷、安全環(huán)保、造型自由、阻燃性好的優(yōu)勢(shì)，在上海世博會(huì)、水立方等項(xiàng)目中得到了一定的體現(xiàn)。

（二）用于紡織行業(yè)

超疏水表面在紡織品行業(yè)也有所應(yīng)用，使其更易拒水、拒油、易去污，目前用于織物的超疏水表面制備技術(shù)主要有兩大途徑，一是利用共混、聚合、混紡等技術(shù)先得到超疏水性納米纖維，然后經(jīng)編織處理得到織物，所以，在合成纖維中較為常用;二是在現(xiàn)有織物成品的基礎(chǔ)上加以功能整理使其得到超疏水性能，故常用于多功能織物的生產(chǎn)。如國(guó)外公司利用納米技術(shù)研發(fā)的Nano-care功能性面料具有自清潔功能;基于“荷葉效應(yīng)”得到的紡織品用于制作超疏水自清潔功能的聚酯雨篷、雨衣、衣物面料等。國(guó)內(nèi)人員通過無模板耐久性超疏水織物的創(chuàng)新生產(chǎn)的聚合物整料有著大孔體積和高比表面積，無論是機(jī)械抗性、超疏水性還是環(huán)境耐久性均有顯著提升，甚至經(jīng)簡(jiǎn)單紫外線照射和磨損能夠?qū)?rùn)濕性進(jìn)行切換;在聚酯織物上通過浸漬法制備的耐用超疏水表面涂層實(shí)現(xiàn)了微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，從而使得油水分離率達(dá)到了99%，像這種簡(jiǎn)單快速的技術(shù)具備強(qiáng)大的工業(yè)應(yīng)用潛力。

（三）用于航空領(lǐng)域

表面覆冰對(duì)航空、交通、通信等行業(yè)的影響十分不利，大大增大了飛行器墜落、通信中斷等事故概率。而在研究超疏水表面的過程中發(fā)現(xiàn)，超疏水有助于防止表面覆冰的功能，受此影響，有人借助納米顆粒與聚合物得到了復(fù)合超疏水涂層并將其涂于碟形衛(wèi)星天線上，通過凍雨環(huán)境測(cè)試發(fā)現(xiàn)，天線右側(cè)覆冰量極少，反之未涂超疏水涂層的左側(cè)全部覆冰。再者，航空航天機(jī)械多為輕質(zhì)合金不可避免地會(huì)受到腐蝕，而低表面能和粗糙顯微結(jié)構(gòu)的超疏水涂層的使用，可有效隔絕其與腐蝕性氣體、液體的接觸，從而進(jìn)一步降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)長(zhǎng)期處于潮濕的環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料可能會(huì)滲入一定的水蒸氣，所以可用浸漬法在泡沫鎳上包覆三維立體結(jié)構(gòu)的氧化銅，通過獲得超疏水性和超親油性，迅速有效的分離油水混合物，以此確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠的運(yùn)行并延長(zhǎng)使用壽命。

（四）用于國(guó)防領(lǐng)域

超疏水表面在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)在：

1. 提升裝備的自清潔、防附著、防覆冰、防腐蝕能力，如對(duì)艦船武器系統(tǒng)等暴露在外的裝備使用超疏水涂層材料，可通過阻斷水分與金屬的接觸防止被鹽霧所侵害;在艦船表面涂上超疏水材料，既可防止海洋生物的附著，又可減少使用有色金屬;采用石墨烯復(fù)合超疏水材料，在-51℃低溫下只需施加12 V的電壓便可防結(jié)冰;適用于玻璃材質(zhì)的超疏水透明涂層，可用于鏡頭、探測(cè)器、顯示屏等光電子設(shè)備的防護(hù)。

2. 提升人員的防護(hù)能力，即超疏水面料在防水透氣工作服和生化防護(hù)服中的應(yīng)用，如美國(guó)針對(duì)海軍士兵、飛行員、特種兵等浸沒在冷水中的情況，開發(fā)了超疏水專用服裝，即使處于20℃冷水中24 h，也能透氣防水、輕便舒適。采用超雙疏面料的生化防護(hù)服，則可防止危險(xiǎn)化學(xué)品滲入保護(hù)人員安全。

（五）其他應(yīng)用

經(jīng)過不斷發(fā)展，超疏水表面的應(yīng)用范圍越來越廣，如基于新型超疏水材料的超級(jí)浮力材料可使艦船獲得超疏水性而形成“空氣墊”，用來減小運(yùn)行阻力提升速度、節(jié)省能源;選擇超疏水膜修飾碳鋼、鋁、鐵等金屬，通過改善防腐性降低管道液體、氣體的運(yùn)輸阻力，進(jìn)而減少能耗、提高輸送效率;將高透光的超疏水涂層用于太陽能面板，解決灰塵污染、效率低的問題，以及用于車窗玻璃保證玻璃明亮干凈，并消除大雨帶來的視線模糊的問題等。

五、超疏水表面的發(fā)展趨勢(shì)

不可否認(rèn)，超疏水表面的的確確為我們帶來了便捷和利益，但距離更大范圍、更深程度的應(yīng)用還有一定的距離，如在實(shí)際生活與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，超疏水表面難免會(huì)受到?jīng)_壓、摩擦、撞擊等作用，容易破壞其粗糙結(jié)構(gòu)而影響疏水性，而且受日光、高溫、潮濕等環(huán)境的干擾，也會(huì)或多或少地出現(xiàn)灰塵、油污污染，致使其表面因老化而弱化疏水性能，當(dāng)然成本問題也不容忽視，這些都制約了超疏水表面的發(fā)展和應(yīng)用。

因此，在以后的研究過程中，一方面要努力解決超疏水表面不穩(wěn)定、老化的難題，尋求設(shè)備易得、操作簡(jiǎn)單、成本低廉的制備技術(shù)，保證超疏水表面在性能穩(wěn)定可靠的前提下進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn);另一方面則要從大自然中尋找靈感，拓展其功能，創(chuàng)新應(yīng)用方向，如提高電池效率和散熱率，研發(fā)新型水上機(jī)器人用于靈活快速的執(zhí)行特殊任務(wù)，開發(fā)定向集水材料以及快速高效的油水分離裝置等等，通過推動(dòng)超疏水表面朝著高性能、多功能、可調(diào)控、智能化方向的發(fā)展，其會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。

六、結(jié)語

總之，超疏水表面性能優(yōu)異、功能豐富，在現(xiàn)實(shí)中的諸多領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用，但同時(shí)也面臨著一定的障礙，需要我們不斷完善超疏水理論知識(shí)，創(chuàng)新制備技術(shù)，積極探索簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的超疏水制備途徑，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用提供有力的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉濤，李娜娜，尹巍巍.超疏水膜制備中微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)建研究[J].染整技術(shù)， 2019，41（09）：1-5+10.

[2]鮑田，王東.玻璃表面二氧化硅基超疏水膜的研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)， 2019，48（08）：156-164.

[3]何金梅，何姣，袁明娟，薛萌輝，劉向榮，屈孟男.高穩(wěn)定性超疏水材料研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展， 2019，38（07）：3013-3027.

[4]王鳳平，郭亦菲，李彥昕.涂層法制備超疏水表面及在油水分離中的應(yīng)用[J].遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019，42（02）：204-209.

[5]薛萌輝.耐久性超疏水材料的制備與性能及其應(yīng)用研究[D].西安科技大學(xué)， 2019.

[6]靳晴.鎂合金表面超疏水微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及防腐蝕性能研究[D].太原理工大學(xué)， 2019.

[7]李曉玫.新型高穩(wěn)定且低黏附超疏水表面的制備及其性能研究[D].電子科技大學(xué)， 2019.

[8]馬偉偉.超疏水表面的制備及其在建筑防水領(lǐng)域中的應(yīng)用探索[J].中國(guó)建筑防水， 2018（22）：5-9.

[9]趙一鳴，汪懷遠(yuǎn)，陶瑞豐，呂重江.超疏水表面制備及其減阻研究[J].化學(xué)工程師， 2018，32（03）：33-36.