中国在超疏水材料研究方面的进展

中国在超疏水材料研究方面的进展

分子一班 张雷 3013207391

Abstract ：

摘要：具有超疏水性、超双疏性等的微纳复合材料在人们的日常生活和国民生产各个部门都有着广泛的应用前景，因而也引起科学界的广泛关注。由于固体表面的浸润性决定于其表面的化学组成和表面形貌，因此通过改变固体的表面自由能和表面形貌可以实现对固体材料表面浸润性控制。近些年来，这方面的研究吸引了许多科学家和课题组的注意。可以说，超疏水、超双疏材料的制备正成为一个研究的热点问题。本文在查阅有关文献的基础上，分析中国在超疏水、超双疏材料制备方面的进展。

关键词：超疏水、超双疏、表面改性、润湿性

1、背景：

表面润湿性是指液体(通常为水)在固体材料表面的铺展能力。它是固体表面的重要性质之一, 许多物理化学过程，如吸附、润滑、黏合、分散和摩擦等均与表面的润湿性密切相关1。研究表明, 固体表面的润湿性是由其化学组成和微观几何结构共同决的, 定外场如光、电、磁、热等对固体表面的润湿性也有很大的影响2。固体表面的润湿性通常用水滴在其表面上形成的接触角来衡量, 接触角小于9 0°的表面称为亲水表面,大于9 0°的表面称为疏水表面, 而超疏水固体表面是指与水的接触角为1 5 0°以上的表面。

自然界中存在很多超疏水表面, 最典型的如以荷叶为代表的多种植物叶子表面(荷叶效应Lotus-effect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等3。受这些自然界中现象的启发，许多课题组都开展了超疏水材料制备方面的研究。

2、超疏水材料制备方法分类：

2.1 模板法：

江雷课题组组报道了一种以多孔氧化铝为模板制备超疏水材料的方法2。具体是将一定孔径的氧化铝模板覆盖在聚碳酸酯（PC）膜上，然后加热PC膜将其溶化并将其压入模板的孔内，最后除去模板即可得到纳米棒状的阵列结构。将模板制备成圆筒状重复上述过程可以得到大面积的阵列PC纳米棒。

2.2气相沉积法（CVD）

气相沉积法（CVD）是一种制备微米、纳米结构的有效方法4，因此在近年来在材料学和其它领域获得广泛应用。由课题组报道利用气相沉积的方法在石英基地上制备出了蜂房状结构，达到超疏水效果。

2.3 电化学沉积法

利用电化学装置在ITO玻璃上制备出了具有阵列结构的烷基吡咯膜5。由于所制备的烷基吡咯膜具有非常大的粗糙度和很低的表面能，所以它具有非常好的排水性能。这种通过电化学沉积方法制备的薄膜具有优异的超疏水性能。

2.4化学修饰法

利用氟代硅烷等表面自由能较小的物质对富含羟基的具有微纳米双重粗糙度的SiO2表面进行修饰6。可以得到优异的超疏水乃至超双疏表面。具有微纳米双重粗糙度的SiO2表面可以通过附着硅藻土7、气相沉积8等方法得到。

2.5 一步浸泡法

通过一步浸泡法在金属表面上构筑了稳定的超疏水薄膜1。将金属片或者金属薄膜(Cu和Zn)在脂肪酸的乙醇溶液中经过一步浸泡后，在金属表面上形成花形的金属脂肪酸盐微簇。水滴在这种由微簇组成的表面上表现出高的接触角(约为162°)，很小的滚动角(约为2°)。在一步浸泡法中，形貌生成是构筑超疏水表面的过程中的关键。

3、超疏水、超双疏材料的应用

超疏水材料由于其优良的性能，具有巨大的应用前景。

在工农业生产方面，通过控制表面形态及模仿生物表面, 成功制备出了超疏水自清洁、滚动各向异性及高黏附性超双疏水表面,这种双疏水界面材料会给人们的日常生活及工农业生产带来极大的便利和高附加产值8。

在日常生活中，通过将空调换热器的表面进行超疏水材料处理后,能避免结露、结霜问题的出现,还能明显降低空调器的噪声, 延长空调器的使用寿命, 且可节约空调器的设计成本9。

此外，还有课题组通过对制备的超疏水表面进行等离子体处理，调节其超疏水性能，发现了其在印刷方面的应用10。

4、中国在超疏水表面研究方面的地位

4．1 文献数目分析

在世界范围内，进入21世纪以来，关于超疏水材料发表数目持续增长，尤其是2010年以来，持续维持在500篇/年以上。共检索到文献6343篇。

中国在超疏水材料制备方面进展很快,发表的文献数目共计2452篇，占世界近十年来发表文献总数的38.66%。

可以明显看到，在发表论文的数目方面，中国占有明显的优势。数目一直超过百分之三十，并且所占比例呈现逐渐上升趋势。

4.2 作者分析

中国科学院化学研究所江雷院士的课题组在超疏水材料的研究方

面处在领先地位。江雷院士的课题组共发表论文182篇，占中国发表论文总数的7.42%。江雷院士通过系统研究界面材料结构和特性规律，提出了“纳米界面材料的二元协同效应”11，创造性地将仿生微纳米复合结构与外场响应性分子设计相结合，实现了在单一或多重外场控制下材料表面浸润性的可逆变化。该理论对于指导超疏水材料的合成意义重大。

5.总结

1、超疏水材料的制备前景广阔、应用广泛，且研究热度呈逐渐上升

趋势；

2、超疏水材料制备面临的最大问题是成本过高和机械强度不足带

来的难以工业化应用；

3、目前，中国在超疏水材料的研究和制备方面处于国际领先地位。

参考文献：

1. de Francisco, R.; Tiemblo, P.; Hoyos, M.; Gonzalez-Arellano, C.; Garcia, N.; Berglund, L.; Synytska,

A., Multipurpose ultra and superhydrophobic surfaces based on oligodimethylsiloxane-modified nanosilica. ACS applied materials & interfaces 2014,6 (21), 18998-9010.

2. Cao, L.; Jones, A. K.; Sikka, V. K.; Wu, J.; Gao, D., Anti-icing superhydrophobic coatings. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids 2009,25 (21), 12444-8.

3. Large Contact Angles of Plant and Animal Surfaces. Nature.

4. Durable, Self-Healing - supporting information.

5. Feng Shi, Y. S., ? Jia Niu,? Xinghua Xia,*, Zhiqiang Wang,? and Xi Zhang*,?, . Chem. Mater. 200

6.

6. Polizos, G.; Winter, K.; Lance, M. J.; Meyer, H. M.; Armstrong, B. L.; Schaeffer, D. A.; Simpson, J. T.; Hunter, S. R.; Datskos, P. G., Scalable superhydrophobic coatings based on fluorinated diatomaceous earth: Abrasion resistance versus particle geometry. Applied Surface Science 2014,292, 563-569.

7. Oliveira, N. M.; Reis, R. L.; Mano, J. F., Superhydrophobic surfaces engineered using diatomaceous earth. ACS applied materials & interfaces 2013,5 (10), 4202-8.

8. Deng, X.; Mammen, L.; Butt, H. J.; Vollmer, D., Candle soot as a template for a transparent robust superamphiphobic coating. Science 2012,335 (6064), 67-70.

9. McCarthy, L. G. a. T. J., <(CH3)3SiCl-SiCl4 Azeotrope Grows Superhydrophobic Nanofilaments_Thomas J. McCarthy.pdf>. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids 2007.

10. .

11. Tian, Y.; Su, B.; Jiang, L., Interfacial material system exhibiting superwettability. Advanced materials 2014,26 (40), 6872-97.