超疏水材料的应用前景

目录

＜❶引言0超疏水的基本原理o超疏水材料的制备方法❹超疏水材料的应用0超疏水表面材料存在的问题及发展趋势

在大自然中有着许多值得人类探索和学习的现象，人们

轟类现象加以研究并运用到改善生产和生活中，统称为仿许多动植物的外表所具有的自清洁功能的现象，具有这类现象的最典型的例子就是出淤泥而不染的荷叶表面。自然界中许多动植物都具有这类功能，诸如鸟类的羽毛、水邑(min)的腿部以及蝴蝶的翅膀等。在宏观上这些组织或者器官均表现出水的极难浸润与挂壁。其原因在于它们的表面具有超疏水性的组成与结构，因此这类材料被称为超疏水性新料。

超疏水表面在日常生活用品、公共建筑、乃至国

防航空等方面有着广泛的应用。另一方面，作为一种典型的界面现象，表面浸润性在界面化学、物理学、材料学、界面结构设计以及其它交叉学科的基础研究中也有极为重要的研究价值。由于其重要性，各行业、各领域的专家及科研人员都开始加入到这方面的研究

黯蠶闖爨輕驾繳勰成杲应用到改善

目前，人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同, 我们可以将材料进行如下分类:当接触角小于90。时，我们认为这种材料是亲水材料;如果水滴在材料表面的接触角小于5。，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7： 3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质;当材料表面接触角大于90°时，我们认为这种材料是疏水材料;如果材料的表面接触角大于150°，滚动接触角小于10°,那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150。,不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。我们研究的重点是超疏水表面。

的优劣。

接触角

接触角是表征固体表面疏水性优劣的指标之一,

通常情况下，在不完全润湿性表面会形成一个冠形 液滴，如图

所示。

的接触角8v 90° ,此表面描述为亲水性表面，

90° <0<150°为疏水性表面，150° <0<175°为超

疏水表面,175° <0<180°为极端疏水表面，而当

0=180°的表面称之为完全疏水表面。因此，用接

触角就能比较直观、方便的来描述固体表面疏水性

当气、液、 三相接触达到平衡时，在三相接

触的公共点处作液一气界面的切线，我们把此切线

与固一液界面的夹角称为接触角但）。如果固体表面

援觸角小：IS 水性

接觸角大：丹水性

滚动角

上面所描述的接触角所表征的是水滴在水平面上的表现，而现实中的平面往往不是水平的，更多的是斜面。水滴在倾斜表面上可能滚动或停滞，这种状态可以用滚动角进行表

征。所谓滚动角是指液滴在固体表面开始滚动时的临界表面倾斜角度a（如图所

示）。若液滴开始滚动的倾斜角越小，表明此表面的超疏水性越好。

在倾斜表面，在水滴即将滚落下的临界状态下，水滴前部和尾部形

成两个不同的接触角ea和er。接触角滞后值是这两个角的差值，可以用于表

征固体表面所呈现出的亲一疏水状态。液滴的滚动特性随着该接触角的滞后值的

上升而减弱。

综上所述，固体与液体的相互浸润性的好坏及其所表现出的亲一疏水性是由接触

角和滚动角两者共同表征。接触角越大和滚动角越小说明

材料表面的疏水性越强。

三、超疏水材料的制备方法

❶模板法

❸电化学方法❺其他方法

化学刻蚀法❹化学气相沉积法

模板法

这种方法是一种来自于化学仿生学中制备纳米材料的方法，它的基本

思想就是以某种粗糙的微纳米结构固体表面为基底，然后将易软化材料在化，之后就能得到和基底表面反向印相信息的粗糙纳米结构;有的它的表面固

也以有机分子或它的自组装体系作为模板剂，在某种溶剂中，经过范德华力、离子键与氢键等协同作用下，模板剂就会对游离在溶剂中有机前躯体进行一定的引导，这样就能得到有序具有纳米结构的粒子或薄膜。江雷等用模板法，合成了聚乙烯醇和聚丙烯月青的纳米纤维序列膜，就是采用多孔氧化铝作为模板，这种纳米纤维序列膜接触角值能高达173.8° o

金美花等也是利用多孔氧化铝为模板，有机高分子聚合物在多孔氧化铝的模板中孔道的内壁上附着，得到了聚苯乙烯的纳米阵列薄膜，这种膜的静

态接触角达到162 ° o

模板法不需要复杂加工设备，模板可以使用多次，但也

有不足之处，如复杂形状的表面用模板法制备较困难且效率低;用PDMS复型得到的软模板力学性能不佳，在使用过程中会出现坍塌、撕裂或粘连等现象，复型难以达到精确控制，无法复制精度小于50nnn的微细结构。目前，用模板法制备超疏水表面以聚合物超疏水表面为主，实验结果仍停留在实验室阶段，制备大面积超疏水表面的工作仍有一定难度。

化学刻蚀法

化学刻蚀法是指用不同组成的刻蚀试剂对金属或者合金表面进行

侵蚀，利用晶格缺陷或合金不同成分耐腐蚀性差异进行选择性刻蚀，通过控制刻蚀试剂浓度和刻蚀时间，得到合适的微观粗糙结构，然后再用低表面能物质修饰，制备成超疏水表面。李艳峰等用盐酸刻蚀铝合金，刻蚀后铝合金表面呈现出由矩形的凸台和凹坑构成的复杂粗糙表面结构，经氟化试剂表面改性后，水滴接触角在156°左右，滚动角为5°左右。

Baitai Qian等利用becKs位错刻蚀剂腐蚀Al，Zn5 Cu多晶型金属，再进行表面氟化从而制得最高接触角156。，滚动角和滞后角都很小的超疏水表面。

化学刻蚀法制备超疏水表面有较好的选择性，并且可以对复杂形状的物体表面进行刻蚀，效率高，成本低，但也有不足，如过度刻蚀对表面造成损伤，破坏基体材料的力学性能，刻蚀过程中会产生废液，需要处理。