超疏水材料研究报告进展
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 3013207391Abstract ：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。
超疏水表面的研究进展
政府和相关机构应提供政策支持和资金扶持，以 促进超疏水表面技术的跨学科合作和技术转化。
05
超疏水表面的最新研究动态
高性能超疏水表面的研究
高耐久性超疏水表面
通过优化材料和制备工艺，提高超疏水表面的耐久性，使其在长期使用过程中保 持稳定的超疏水性能。
多功能超疏水表面
除了超疏水性能外，还具备其他功能，如自清洁、防冰冻、抗腐蚀等，以满足更 多实际应用需求。
形成机制
物理机制
超疏水表面的形成依赖于表面微观结构与空气层 的共同作用，使水滴在表面形成球状，易于滚动 和脱离。
化学机制
通过在表面引入低表面能物质，如氟代烃或硅氧 烷，增加表面的疏水性。
表面微观结构
01
粗糙结构
超疏水表面的微观结构具有复杂的粗糙度，能够 捕获和固定大量空气，降低表面能。
02
微纳复合结构
超疏水表面的研究进 展
目录
• 超疏水表面的基本原理 • 超疏水表面的制备方法 • 超疏水表面的应用领域 • 超疏水表面的研究挑战与展望 • 超疏水表面的最新研究动态
01
超疏水表面的基本原理
定义与特性
定义
超疏水表面是指水滴在表面接触角大于150°，滚防污、防冰、自清洁等 特性。
中的问题。
技术成熟度
目前超疏水表面技术尚未完全成 熟，需要进一步的研究和优化以
提高其性能和稳定性。
跨学科合作与技术转化问题
1 2 3
知识交流与共享
跨学科合作需要不同领域的专家进行深入的知识 交流与共享，以促进超疏水表面技术的创新和发 展。
技术转化效率
将实验室研究成果转化为实际应用需要高效的转 化机制和技术支持，以确保技术的可行性和可持 续性。
超疏水材料研究进展
超疏水材料的研究进展2015年5月3日超疏水材料的研究进展摘要：超疏水性材料因为它独特的性质，而在很多方面得到了广泛的应用。
近年来，许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。
通过研究这些表面微观结构，人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面，从而更好地满足工业中实际应用的需要。
该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象，重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。
最后，对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。
关键词：超疏水、仿生、润湿、功能化表面自然界中，经亿万年的自然选择，许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能，比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。
一直以来，这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们，尤其是近几十年，仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。
因此，对超疏水材料进行总结和展望，对这种材料的发展有重要的意义。
1超疏水原理超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解，即指难以湿润的表面，固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一，不仅受到固体表面粗糙度的影响，还受固体表面化学成分的影响，我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。
接触角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。
当θ=0°时，所表现为完全湿润；当θ<90°时，表面为可湿润，也叫做亲液表面；当θ>90°时，表面则为不湿润的疏离表面；当θ=180°时，则为完全不湿润。
一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。
接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标，但并不是唯一指标，在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。
前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。
但是如果不断增加或减小固体表面上液滴的体积，不管是粗糙的固体表面还是光滑的固体表面，液滴都无法立即达到平衡状态，这种现象称为接触角的粘滞性。
水利工程中新型超疏水材料应用前景展望
3、生物仿生材料：模仿自然界中的生物表面结构，制备出具有高透光性和 耐磨性的超疏水材料。
4、其他新型超疏水材料：如金属有机框架（MOFs）材料、多孔陶瓷材料等。
参考内容
引言
随着科学的不断发展，新型材料的技术和应用越来越受到人们的。其中，超 疏水材料作为一种具有特殊表面性能的材料，引起了广泛的兴趣。超疏水材料具 有防水性和透气性，在众多领域中具有广阔的应用前景。本次演示将详细介绍超 疏水材料的定义、应用状况以及市场前景进行分析。
参考内容二
摘要：超疏水材料是一种具有特殊表面性能的材料，具有极低的液体吸附性 和高度的水滑性。本次演示将综述超疏水材料的研究现状，包括材料选择、材料 性能及其应用前景。最后，本次演示将总结目前的研究成果和不足，并强调未来 研究的需求和方向。
引言：超疏水材料是一种新型的功能材料，其表面具有特殊结构，使得液体 在与材料表面接触后迅速滑落，具有极低的水接触角和极高的水滑性。这种材料 在防尘、防水、防污等领域具有广泛的应用前景。近年来，研究者们在超疏水材 料的制备与应用方面进行了大量研究，取得了一系列重要的研究成果。然而，超 疏水材料的研究仍面临一些挑战，需要进一步深入探讨。
水利工程中新型超疏水材料应 用前景展望
目录
01 引言
03
新型超疏水材料研究 进展
02 研究现状 04 参考内容
引言
水利工程是国民经济的基础设施之一，对于保障水资源安全、促进经济发展 具有重要意义。然而，随着全球气候变化和人类活动的加剧，水利工程面临着越 来越多的挑战。为了提高水利工程的效能和安全性，新型超疏水材料的应用逐渐 成为研究的热点。本次演示将介绍水利工程中新型超疏水材料的应用前景展望。
超疏水材料的定义和应用状况
超疏水材料的研究进展
捷的合成方法制备出有机/无机树莓状结构的微球。
分别采用乳液聚合法和分散聚合法制备出粒径为微米级和纳米级左右的PS 高精度微球。
为制备出微球的阶层结构，可采用简单物理混合的方法，经过疏水化处理后的微球，可将其用于铜网的表面修饰，发现可以得到相同的高效油水分离特性的铜网，呈现出超疏水优良的特性。
1.3 绿色无氟超疏水材料郗盼毅等[4]用模板法通过模板“镜像”效应，以新鲜荷叶为模板，聚二甲基硅氧烷(PDMS)为密封材料，使天然的竹材表面呈现出微纳米层次的乳头状凸起结构；涂覆法是将样品完全浸入含有低表面能材料的化学溶液中，然后进行干燥固化成型；电放技术是用聚合物溶液在电场库仑力的作用下被极度拉伸的情况下形成喷射出高速细流，随后落在基板上形成微/纳米纤维膜。
2 超疏水材料的应用在各个领域，超疏水材料的应用不仅相当广泛而且有极大的进展。
因其优异的超疏水性而具备防腐蚀、自清洁、防覆冰的性能，广泛运用于各个邻域，其中包括对金属材料、纺织材料、木材材料、生物组织、口腔医学等，由此可见超疏水材料有着巨大的发展前景和商业潜力[2]。
2.1 金属材料领域的应用利用超疏水材料的防腐蚀特性，可将超疏水材料作为金属涂层保护金属。
SULTONZODA Firdavs 等[5]用硬脂酸乙醇溶液处理后，铝合金表面获得了铝与水在60 ℃下反应形成的纳米-微米二级粗结构。
另外，硬脂酸在铝合金的表面上具有长的键合分支，从0 引言超疏水材料是一种新型材料，广泛应用于各个领域，用于在金属材料领域则具有保护作用，起到了耐腐蚀的效果。
实验证明经过加工该材料也能起到自清洁及耐磨的能力。
随着超疏水材料应用的增加，所面临的问题也在变多，其稳定性成了该材料发展的研究之重。
1 超疏水材料的简介超疏水虽然是一种新型材料，但在自然界中，许多植物叶表面、鸟禽羽毛都具有超疏水性的特点，如蜻蜓的翅膀、池塘的荷叶等[1]。
目前超疏水材料分为两大类：天然和人工合成。
天然的超疏水材料大多来源于自然界的动植物，具有良好的相适应性并且易降解，具有亲水基团，对环境友好。
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展摘要随着世界机械化以及工业化的发展，全球的水资源污染逐渐严重，人民群众对于水资源的供应以及淡水资源的处理越发关注，且为水资源处理技术的发展做出了较大贡献。
作为水资源净化技术的重要组成部分，油水分离净化技术水平不仅关系着淡水资源的提供质量，而且对于人民群众的身体健康也具有重要影响。
基于此，本文将超疏水材料制备及其在油水分离中的应用作为主要研究内容，通过对超疏水材料进行简单阐述，进而对超疏水材料的应用以及其在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。
本文旨在为超疏水材料在油水分离中的应用研究提供几点参考性建议，并为水资源的净化处理技术发展提供积极的推动作用。
关键词超疏水材料制备；油水分离；应用研究前言由于工业化的发展导致海洋中的水资源污染情况越加恶劣，有大量的油产品以及机溶剂污染流入海洋中，对海洋中的水资源产生了严重破坏，进而为水资源净化技术提出了更高的要求，对人类生存与发展也产生了威胁。
基于此种宏观环境，本文对超疏水材料在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。
1 超疏水材料概述超疏水材料主要是利用其中较为独特的化学结构以及其本身的润湿性能来作为水资源净化技术中的一种使用材料。
由于该种材料在材质表面上具有润湿性的特殊原理，并能够作为超疏水材料而应用至油水分离的水资源净化中，其还具有两方面的特征。
第一方面，表面为微纳米结构。
第二方面，表面具有低表面能的特色。
同时，在该种材料的制备过程中还具有成本较低以及制备材料环保的优势。
因此，在油水分离的水资源净化中被广泛使用。
但在超疏水材料的具体制备中还有耗时周期长的缺点，而该种缺点与实际制备中的优势相比并不对超疏水材料的实际应用构成威胁[1]。
2 超疏水材料的应用由于超疏水材料在近几年的广泛使用中其本身的特殊性能受到各领域研究人员的关注，进而推动着超疏水材料在多个研究领域以及生活领域被应用。
本文将超疏水材料的应用特性总结为以下五个方面。
超疏水材料的研究进展
超疏水材料的研究进展摘要：对植物叶表面的超疏水现象研究表明：植物叶表面的微观结构是引起超疏水的根本原因。
本文通过对荷叶表面的研究得到超疏水材料具有的特点：微纳米尺度复合的阶层结构。
通过相分离方法得到超疏水材料，最后对超疏水材料的研究趋势作了展望．关键词：超疏水材料微纳双重结构接触角滚动角Abstract：By studying the nature superhydrophobic bio-surfaces indicates that : the incooperation of micro-structure and nano-structure are both important for the superhydrophobic materials. Such structures are the key for the superhydrophobic material . The phase separation method is employed to prepare the superhydrophobic materials. The latest trends in the study of superhydrophobic materials are also discussed．Key words：Superhydrophobic materials；Micro-structure and nano-structure ; Contect angle; Roll angle引言近年来，植物叶表面的超疏水现象引起了人们的关注。
所谓植物超疏水能力，就是植物叶面具有显著的疏水，脱附，防粘，自清洁功能等。
固体表面浸润性研究的就是材料的疏水能力。
浸润性是指液体可以渐渐渗入或附着在固体表面的特性。
接触角和滚动角是评价固体表面浸润性的重要指标。
所谓超疏水表面一般是指与水的接触角大于150º。
超疏水材料研究进展PPT
Sun 等课题组成员为了获取具有荷叶结 构的超疏水表面， 在聚二甲基硅氧烷表面 进行模板法得到了具有荷叶结构的凹模板， 再使用该凹模板得到具有与荷叶表面结构 类似的凸模板， 在扫描电镜下看到了具有 粗糙结构的表面，展现了良好的超疏水性 能。
Manhui Sun,et al.Artificial Lotus Leaf by NanocastingLangmuir, Vol. 21, No. 19, 2005 8979.
J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 9049–9056
三、光催化超疏水材料研究进展
一、研究背景
Wenzel 模型
cosɵW =rcosɵe
式中，θW为表观接触角，(°)；θY为理想表面 的本征接触角，(°)；λ 表示粗糙度因子，是 真实固液界面接触面积与表观固液界面接触面 积的比值，λ≥1
ห้องสมุดไป่ตู้
Cassie模型
cosɵc =f1cosɵ1 + f2cosɵ2
将表面组成分量加入方程中式中，f1和 f2分别 为复合表面中固相与气相的表面积分数，%； θ1和θ2分别为它们的接触角
一、研究背景
Young方程——理想、平滑的固体表面
cosɵ =(γ -γ )/ γ
sg ls lg 式中，γsg、γsl、γlg分别表示固气、固液以及液气之间的界 面张力，N/m
Θ < 90°，表现出亲水的性质， Θ > 90°，表现出疏水的性质
Young Equation
Young方程解释了接触角 和表面能的关系
通过双层涂层制备长期耐用的超疏水和（同时）抗
反射表面，该双层涂层包含部分嵌入通过溶胶生产的有 机二氧化硅粘合剂基质中的三甲基硅氧烷（TMS）表面 功能化的二氧化硅纳米颗粒-凝胶过程。首先将致密且均 匀的有机硅胶层涂覆到玻璃基板上，然后在其上沉积三 甲基硅烷化的纳米球基超疏水层。在热固化之后，两层 变成整体膜，并且疏水性纳米颗粒被永久地固定到玻璃 基板上。经过这种处理的表面在户外暴露2000小时期间 显示出极好的防水性（接触角CA= 168°）和稳定的自 清洁效果。
超疏水高分子薄膜的研究进展-（1）
超疏⽔⾼分⼦薄膜的研究进展-（1）超疏⽔⾼分⼦材料的研究进展摘要：近⼗年来，由于超疏⽔表⾯在⾃清洁、防冰冻、油⽔分离等⽅⾯的⼴泛应⽤前景，超疏⽔⾼分⼦薄膜的研究受到了极⼤的关注。
本⽂综述了超疏⽔⾼分⼦材料的制备⽅法，并对超疏⽔⾼分⼦材料研究的未来发展进⾏了展望。
关键词：超疏⽔，⾼分⼦材料，⾃清洁Developments of super-hydrophobic Ploymeric materialAbstract: In the last decades, super-hydrophobic surface has aroused great interest in both academic and industrial fields owing to their potential application in self-cleaning, anti-icing/fogging, water/oil separation, et al. In this paper, the recent development in super-hydrophobic polymeric membrane is reviewed from both preparation and technique, and the future development direction of the superhydrophobic polymeric surface is also proposed in the end．Key Words: super-hydrophobic, polymeric membrane, self-cleaning.引⾔⾃然界是功能性表⾯的不竭源泉。
植物叶表⾯的⾃清洁效果引起了⼈们的很⼤的兴趣，在以荷叶为典型代表的⾃然超疏⽔表⾯上充分体现了这种⾃清洁性质，因此称之为“荷叶效应”[1]。
静电纺丝制备超疏水功能材料研究进展
静电纺丝制备超疏水功能材料研究进展摘要：近年来，纳米技术飞速发展，纳米材料成为各大学者的研究热点。
静电纺丝是制备纳米材料和微细纳米结构最简单最切实可行的方法，也是一种具有广泛应用前景的技术。
通过静电纺丝制备的超疏水材料在油水分离、膜蒸馏、防腐涂层、隐身材料、传感材料等方面具有极大的应用前景。
20世纪90年代静电纺丝引起人们的广泛关注和研究，这些研究推动了静电纺丝的快速发展，并为超疏水材料带来一系列新的制备方法。
笔者简要介绍了静电纺丝的基本原理和超疏水理论，重点阐述了利用静电纺丝制备超疏水功能材料的最新研究进展并对其性能进行分析比较。
关键词：静电纺丝，超疏水，功能材料引言:受到自然界许多动植物的启发，如荷叶、水黾等，超疏水材料应运而生。
人们通过细心的观察发现它们都具备了相似的共同点，荷叶的表面呈现粗糙的微观形貌，才有了莲花的出淤泥而不染。
水黾的腿部也存在微纳米结构，才可以自由的在水面上行走或奔跑。
他们的这种结构可以和水面形成“空气垫”，所以防止了表面被水润湿，也就达到了疏水的效果。
超疏水材料的出现，应用在了很多领域，如防水、防雾、防污染、自清洁及油水分离，为我们的生活带来了便利，起着至关重要的作用。
理想的超疏水材料通常被认为具有超疏水、超亲油性能、高吸油能力以及低吸水率、低密度、环保无公害，对各种油类具有良好的可回收性。
1静电纺丝的原理和装置静电纺丝是静电雾化的一种形式，也称电纺，它通过一个外加强电场，使聚合物溶液或熔体在喷射孔形成喷射流，同时在静电场中进行拉伸，形成纤维固化在接收板上。
在外加电场和表面张力的作用下，液滴被拉长成一个Taylor圆锥。
静电纺丝设备通常由高压电源、喷头、注射泵、收集平台等装置构成。
2静电纺丝碳基纳米材料碳纳米材料超级电容器具有大比表面积、快充放电速率和长循环寿命等优点，在为可穿戴电子设备供电方面具有广阔的应用前景。
碳纳米纤维（CNF）作为一种高性能的电极材料，在储能/转换系统中具有多功能性，一直以来都被人们作为一种高性能的电极材料来研究。
仿生超疏水材料的研究进展及应用2400字
仿生超疏水材料的研究进展及应用2400字摘要：在仿生研究领域，许多奇特的微/纳生物表面现象给予人们大量的启示。
比如荷叶效应、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁，引发了人们对超疏水材料的研究兴趣。
本文综述了仿生超疏水表面的润湿性原理、主要制备方法和应用。
毕业关键词：仿生超疏水；润湿性；制备方法；应用在时间的长河中，大自然不断地孕育生命，每一个生命体都具有其独特的艺术性、科学性。
人类在不断适应自然、认识自然的同时，逐渐开始研究自然。
仿生研究是人们学习自然，提高现有技术的有效手段。
在仿生研究领域，许多奇特的微纳生物表面现象给予了人们大量的启示与想象空间[1]。
比如荷叶效应[2] 、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁[3]，引发了人们对仿生超疏水材料的研究兴趣。
1 润湿性原理固体表面的润湿性[4]对揭示表面亲、疏水性，强化表面疏水性能和制备疏水表面具有重要意义。
描述润湿性的指标为与水的接触角，接触角小于9O°，为亲水表面，接触角大于90°，为疏水表面，接触角大于150°，则称为超疏水表面。
Wenzel[5]假设液体始终填满固体表面上的凹槽结构，粗糙表面的表观接触角θ?与光滑平坦表面本征接触角θ存在以下关系：r（γs-g-γl-s）/γl-g=cosθ?=r cosθ，式中r是材料表面的粗糙度因子，为固液界面实际接触面积与表观接触面积之比。
而Cassie[6]认为疏水表面上的液滴不能填满粗糙表面上的凹槽，凹槽中液滴下存留空气，从而表观上的固液接触实际上是固液、固气接触共同组成，提出cosθ?=fs（1+ cosθ）-1，式中：fs是复合接触面中凸起固体面积与表观接触面积之比，其值小于1。
而Cassie和Baxter[7]从热力学角度得到适合任何复合表面接触的Cassie-Baxter方程cosθ?=f1cosθ1+ f2cosθ2，式中θ?是复合表面的表观接触角，f1、f2分别是两种介质在固体表面上所占面积的比例，θ1、θ2分别是2种介质界面间（固液、气液）的本征接触角。
医用材料表面超疏水性涂覆研究进展
医用材料表面超疏水性涂覆研究进展天津市塑料研究所田鹍鹏屈道永赵鹏王长富般地，超疏水表面是指与水的接触角大于150°的表面。
自然界有很多生物的一定结构存在超疏水表面结构，如荷叶、水稻叶、蝉翼等。
超疏水表面超疏水表面具有很多独特的表面性能：如自清洁性、防污特性、疏水、疏油、低摩擦系数等特性，由于其具有巨大的实用价值和广阔的应用前景，引起人们的广泛关注。
1. 1超疏水的荷叶表面如图所示，水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分别为161.0±2. 7°和2°，表现出良好的超疏水性能。
这是在对生物表面特殊浸润性的研究中，人们最早熟知的是荷叶表面的超疏水现象；另外，落在荷叶表面的水滴很容易滚落，同时能将其表面的脏物一起带走，达到自清洁效应。
研究发现，荷叶的这种特性是由粗糙叶面上微米结构的乳突和表面的蜡状物共同引起的。
然而，在这种单一微米级粗糙结构的接触角模型下，通过理论计算表明，最大接触角值只能达到147°，与实际的测量值还有一定差距。
Feng等通过研究进一步发现，荷叶表面的微米乳突上面还存在有纳米结构。
如图所示，荷叶表面是由许多直径为5-9μm的乳突组成，而且每个乳突又是由平均直径为124. 3±3. 2nm的纳米结构分支组成。
我们同样可以看出，在荷叶的下层表面也存在纳米结构，正是这纳米结构很好地防止荷叶的下表面被液滴润湿。
他们认为，这种微纳米复合的双微观结构才是荷叶表面超疏水的根本原因。
正是这种特殊的表面微纳米复合结构大大降低了液体与固体表面突起的直接接触面积，对三相接触线的长度、形状和连续性产生了影响，有效地降低了滚动角，使得液滴容易在荷叶上随意滚动。
球形的水滴在荷叶的表面图（a）荷叶表面大面积的微结构图（b）荷叶表面单个乳突图（c）荷叶背面的纳米结构图1.2超疏水的蝉翼表面蝉的成虫形态。
人们研究发现蝉不仅具有透明轻薄的翅膀，而且其翅膀表面具有良好的超疏水性能和自清洁效应，正是这种特性使得蝉能够保持其良好的飞行能力。
超疏水材料的研究现状及应用
超疏水材料的研究现状及应用摘要:超疏水表面材料具有防水、防污、可减少流体的粘滞等优良特性，是目前功能材料研究的热点之一。
由于超疏水表面在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用,有关超疏水表面的研究引起了极大的关注，本文简述了超疏水表面的制备方法，归纳了超疏水表面的应用,对超疏水表面研究的发展进行了展望。
关键词：超疏水表面材料；微流体系统；表面制备方法；表面应用Superhydrophobic materials Researchand ApplicationLi Yongliang(Jiangnan University, College of Chemistry and Materials Engineering JiangsuWuxi 214122,China)Abstract:Superhydrophobic surface material with a waterproof, anti-fouling, can reduce the viscosity of the fluid and other excellent features, is currently one of the hot functional materials. As super-hydrophobic surface in the self-cleaning surfaces, microfluidic systems, biocompatibility and other potential applications, research on super-hydrophobic surface caused a great deal of attention, this paper outlines the super-hydrophobic surface preparation methods, summarized the super-hydrophobic surface application of research for the development of super-hydrophobic surfaces were discussed.Keywords:Superhydrophobic surface material; Microfluidic systems; Surface preparation methods; Surface application近年来，植物叶表面的超疏水现象引起了人们的关注。
超疏水表面研究进展
随着当前社会的不断发展和科技的快速进步，高效、节能、绿色环保等概念深入人心，具有自我清洁本领的超疏水表面越来越成为当前热门研究方向之一。
超疏水表面的研究起源于植物学家Barthlott 和Neihuis ［1］对植物叶子的研究，首次发现引起植物表面自清洁效果的是植物叶片上的微米级乳突和蜡质晶体，如图1所示。
江雷［2］认为引起超疏水效果的另一重要原因是乳突和蜡质晶体表面存在纳米级结构。
一般来说，“荷叶效应”指的是荷叶具备叶面自清洁的能力，即滴在荷叶表面的雨滴无法在荷叶表面停留而会立即滚落下去，附着在荷叶表面的污染物会随着雨滴的滚落而被带走，留下洁净的荷叶表面。
此外，水稻叶子［3］、蝴蝶翅膀［4］、水黾的腿［5，6］、蝉的翅膀［7］等也具有疏水的本领。
疏水性能的强弱通常使用接触角来表示，接触角大于150°和滚动角小于10°的固体表面，可以被认为超疏水表面［3，8］。
超疏水表面有诸多应用领域，如表面自清洁［9］、金属防腐［10］、油水分离［11］、防结冰［12］和流体减阻［13］等。
本文介绍了制备超疏水表面的基本方法、含氟和无氟超疏水表面的研究进展，并根据当前超疏水表面的特点对未来新材料进行了展望。
1制备疏水表面的基本方法材料的表面能和表面粗糙度对接触角具有重要的影响［14］，一般需要在低表面能表面构建粗糙结构或在粗糙表面上修饰低表面能物质来制备疏水及超疏水表面［2］。
1.1降低材料表面能许多优秀的材料原为亲水性，其表面能较高，如SiO 2［15］、TiO 2［16］等材料，需要对其进行低表面能化处理才能变为疏水材料。
Hare 等人［17］的研究表明，当氟元素被氢元素取代后，其表面自由能是增加的，即碳氟化合物和碳氢化合物表面能的排列顺序为-CH 2->-CH 3>-CF 2->-CF 2H>-CF 3，这说明含氟或全氟化合物拥有极低的表面能。
一般可以将高表面能的固体表面浸泡在低表面能化合物的溶液中来降低固体表面能，如Liu 等摘要超疏水表面由于其独特的润湿性，在自清洁等领域具有非常重要的作用。
自修复超疏水材料的制备及功能化研究进展
通常地，将水接触角大于150°且滚动角小于10°的表面定义为超疏水表面。
超疏水材料及表面因其独特的润湿性在自清洁、防雾除冰、油水分离、水中减阻、金属防腐和微流体等众多领域展现出了广阔的应用前景。
最初，人们对超疏水现象的认识来源于大自然，如荷叶出于淤泥而不染、水黾能在水面上行走自如、蝴蝶能在雨中自由飞行等。
1997年，德国植物学家BARTHLOTT和NEIHUIS等利用SEM观察荷叶表面的微观结构，发现荷叶的超疏水性是由其表面的微米级凸起结构和低表面能的蜡质化学物共同作用产生的。
2002年，江雷等研究发现，在荷叶表面的微米级凸起结构上还分布着大量的纳米级乳突。
基于此，科研工作者认识到超疏水材料的构建不仅要有微纳分级的粗糙结构，而且还需要低表面能物质的修饰。
目前，超疏水材料的制备方法多种多样，如模板法、溶胶-凝胶法、气相沉积法、层层自组装法和静电纺丝法等。
根据谷歌学术和中国知网统计，每年发表的与超疏水材料相关的学术论文约3000篇，大量的超疏水材料被制备出来。
但是不可忽视的是，超疏水材料在使用过程中，其表面的微纳粗糙结构极易受到外力刮擦而被破坏，同时修饰的低表面能物质也会在日照或者强酸强碱的恶劣环境中被分解，从而导致材料超疏水性的丧失，这在较大程度上限制了其大范围的推广和实际应用。
为了克服这些不足以延长超疏水材料的使用寿命，一些研究者将自修复性与超疏水性结合起来，制备出具有优良表面稳定性和循环使用性的自修复超疏水材料。
当其表面失去超疏水性后，可自发地或者在一定条件下使超疏水性得到修复。
因此，无论是从科学理论还是实际应用的角度来看，自修复超疏水材料的研究均具有重要意义。
此外，为了满足防腐、海水淡化、可穿戴电子等特殊领域的需求，还发展了一系列具有防腐、导电、光热转换、抑菌、热致变色等功能的自修复超疏水材料。
根据修复机理的不同，可将自修复超疏水材料分为两大类：外援型和本征型。
本文分别对这两大类自修复超疏水材料的最新研究进展进行陈述，并对功能化自修复超疏水材料及其应用进行介绍。
超疏水材料的应用与研究进展
超疏水材料的应用与研究进展关键信息项：1、超疏水材料的定义及性能特点接触角：＿___________________________滚动角：＿___________________________表面粗糙度：＿___________________________化学组成：＿___________________________2、应用领域自清洁表面：＿___________________________防腐蚀：＿___________________________油水分离：＿___________________________减阻：＿___________________________生物医学：＿___________________________3、研究进展新型材料的开发：＿___________________________制备方法的改进：＿___________________________性能优化策略：＿___________________________理论模型的完善：＿___________________________11 超疏水材料的定义及性能特点超疏水材料通常是指与水的接触角大于 150°，滚动角小于 10°的材料。
其具有独特的表面性能，这主要归因于材料的表面化学组成和微观结构。
111 接触角接触角是衡量材料超疏水性的关键指标之一。
当水滴在材料表面上形成的接触角越大，表明材料的疏水性能越强。
112 滚动角滚动角则反映了水滴在材料表面上的移动容易程度。
较小的滚动角意味着水滴能够轻易地从表面滚落，进一步体现了材料的超疏水性。
113 表面粗糙度材料表面的粗糙度对超疏水性起着重要作用。
适当的粗糙度可以增加空气在表面的留存，增强疏水效果。
114 化学组成材料的化学组成决定了其表面能的高低。
低表面能的化学物质有助于实现超疏水性能。
12 应用领域超疏水材料由于其优异的性能，在多个领域展现出了巨大的应用潜力。
超疏水材料的制备与性质研究进展
超疏水材料的制备与性质研究进展关键信息项1、超疏水材料的制备方法化学气相沉积法溶胶凝胶法静电纺丝法蚀刻法模板法自组装法2、超疏水材料的性质接触角滚动角表面能耐腐蚀性耐磨性稳定性光学性能热稳定性3、研究进展新型制备工艺的开发性能优化策略应用领域拓展11 引言超疏水材料因其独特的表面性质在众多领域展现出巨大的应用潜力，对其制备方法和性质的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。
111 超疏水材料的定义超疏水材料通常是指与水的接触角大于 150°，滚动角小于 10°的材料。
112 超疏水现象的原理主要基于材料表面的微观结构和低表面能物质的协同作用。
12 超疏水材料的制备方法121 化学气相沉积法通过气态物质在固体表面发生化学反应并沉积形成超疏水涂层。
优点：涂层均匀、致密。
缺点：设备复杂、成本较高。
122 溶胶凝胶法利用溶胶凝胶过程制备超疏水材料。
优点：工艺简单、成本相对较低。
缺点：制备周期较长。
123 静电纺丝法通过高压电场将聚合物溶液或熔体拉伸成纤维，形成具有超疏水性能的纤维膜。
优点：可制备纳米级纤维。
缺点：纤维的均匀性较难控制。
124 蚀刻法对材料表面进行蚀刻处理，构建微纳结构。
优点：操作相对简单。
缺点：对蚀刻条件要求较高。
125 模板法以特定的模板为基础制备超疏水材料。
优点：可精确控制结构。
缺点：模板的制备和去除较为复杂。
126 自组装法分子或纳米粒子在一定条件下自发地组装形成超疏水结构。
优点：自适应性强。
缺点：过程较难控制。
13 超疏水材料的性质131 接触角衡量超疏水性能的重要指标，接触角越大，超疏水性能越好。
132 滚动角反映水滴在材料表面滚动的难易程度，滚动角越小，表面越容易排水。
133 表面能低表面能是实现超疏水的关键因素之一。
134 耐腐蚀性超疏水涂层能有效提高材料的耐腐蚀性能。
135 耐磨性在实际应用中，耐磨性决定了超疏水材料的使用寿命。
136 稳定性包括热稳定性、化学稳定性和机械稳定性等。
金属材料表面超疏水涂层的研究进展
金属材料表面超疏水涂层的研究进展目录一、内容描述 (2)1. 超疏水涂层的定义与意义 (3)2. 金属材料表面处理技术的发展背景 (4)二、超疏水涂层材料的研究进展 (5)1. 纳米材料在超疏水涂层中的应用 (6)纳米TiO2、SiO2等颗粒的制备与应用 (7)纳米复合材料的设计与性能优化 (9)2. 有机高分子材料在超疏水涂层中的应用 (10)涂层材料的表面接枝改性技术 (11)自组装单分子层的构筑与性能研究 (12)3. 生物启发型超疏水涂层的研究 (13)蜡烛蜡、硅酮等生物启发材料的模仿与应用 (14)生物矿化原理在涂层设计中的应用 (15)三、超疏水涂层制备方法的研究进展 (17)1. 化学气相沉积法 (18)2. 动力学激光沉积法 (19)3. 离子束溅射法 (20)4. 溶液沉积法 (21)5. 微纳加工技术 (22)四、超疏水涂层性能评价及优化策略 (23)1. 表面张力与接触角测量 (24)2. 耐磨性、耐腐蚀性等性能评估 (26)3. 涂层稳定性与耐久性分析 (27)4. 性能优化策略与实验方法 (28)五、超疏水涂层在特定领域的应用研究进展 (29)1. 抗生物污染涂层的研发与应用 (30)2. 防腐蚀保护涂层的性能研究 (32)3. 光学性能改进的超疏水涂层设计 (33)4. 涂层在航空航天、电子电气等领域的应用探索 (34)六、结论与展望 (35)1. 超疏水涂层技术的发展趋势 (36)2. 存在的问题与挑战 (38)3. 未来研究方向与应用前景展望 (39)一、内容描述随着科技的不断发展，材料科学领域对于表面性能的要求日益提高，尤其是在防水、防污、自清洁等方面具有特殊需求的材料。
金属材料作为现代工业的重要基础材料，其表面性能的优劣直接影响到产品的使用寿命和可靠性。
对金属材料表面进行超疏水涂层的研发和应用成为了当前研究的热点。
超疏水涂层是一种具有特殊表面性能的涂层，其表面的水接触角大于150，表现出“荷叶效应”，即水滴在涂层表面上能够迅速滚落，而不会附着和渗透。
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超疏水材料研究进展摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。
详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。
关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备1 引言近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。
所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。
超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。
有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。
固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。
目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。
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90º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5º，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90º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150º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150º，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。
如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。
(a) (b)图1 接触角示意图2 超疏水材料的用途2.1 超疏水材料在流体减阻中的应用超疏水表面的一个突出的性质是滑移效应的出现, 这一点已被广泛认可[3]。
随着疏水表面滑移效应的发现, 人们开始重视研究基于疏水表面滑移效应所产生的减阻新技术. Watanabe 等[4]研究了内壁覆盖氟烷烃改性的丙烯酸树脂条纹的超疏水圆管的减阻性能, 实测的压强- 速度剖面曲线表明, 当雷诺数为500∼10000 时, 阻力下降达14%, 对应的滑移长度达450µm。
Bechert 等[5]受到鲨鱼表皮三维肋条结构的减阻性能的启发, 从实验出发研究了具有类似结构的新型机翼表面的减阻性能, 结果表明这种表面比光滑的机翼表面剪应力降低7.3%。
Koeltzsch 等[6]研究了具有分叉型肋条结构的管道内壁表面的减阻性能, 以及不同肋条结构的影响效果, 这为输油管道内壁的减阻方法提供了新思路。
王家楣等[7]从船首底部喷气生成微气泡出发研究了不同雷诺数、不同微气泡浓度下的减阻试验, 为微气泡减阻技术的应用提供了依据。
徐中等[8]采用标准κ- ε湍流模型对凹坑形表面在空气介质中不同条件下的流动进行了模拟, 得到的最大减阻率达到7.2%.2.2超疏水材料在抗腐蚀中的应用通过超疏水膜技术在金属表面形成一层超疏水性的膜层，可以有效地增强金属表面阻抗、降低腐烛电流密度，使平衡腐烛电位向正方向移动，提高金属的防腐能力。
超疏水膜技术应用于金属防腐已有大量研究。
刘涛[9]在铜、锅及铁锅金属间化合物表面制备出超疏水薄膜,电化学测试拟合数据显示,超疏水表面对于铜、锅、铁招金属间化合物的缓烛效率可分别达到99%, 97%和86%。
刘通等[10]在金属招表面制备了一层稳定的近似珊瑚状的超疏水膜,海水的接触角大于150°, Yansheng Yin等[11]在错样品表面制备了接触角为154°的超疏水表面。
电化学测试表明,超疏水膜显著地降低了腐蚀电流密度、腐烛速率和双电层电容。
2.3超疏水材料在建筑防污耐水等领域内的应用[12]建筑物表面的污染主要是由于空气中微小颗粒的粘附和雨!雪等的覆盖污染"超疏水材料因其独特的疏水性，在建筑物内外墙!玻璃及金属框架等的防水!防雪和耐沾污等方面均有广泛的应用前景，可大大降低建筑物的清洁及维护成本，使得建筑物能长久保持亮丽的外观"目前，超疏水表面材料在建筑防污染方面的产品主要是涂层及防护液等，如中科赛纳技术有限公司采用纳米合成技术制备的纳米超疏水自清洁玻璃涂层"该涂层一般为无色透明!无毒!无污染牢固度高且具有自清洁!防结冰!抗氧化等功能"德国STO公司同样根据荷叶效应原理开发了有机硅纳米乳胶漆"。
2.4超疏水材料在微流体控制方面的应用超疏水材料表面所具有的不浸润性及低表面粘滞力，使其在微流体控制应用方面也有十分出色的表现。
比如控制微液滴的运动和流动，并以此制造微液滴控制针头，使得在实验或者生产过程中对液体滴加计量能够精确控制，实验试剂的添加将更得心应手。
如果将这类技术运用到诸如静电喷涂领域，比如用超疏水材料制造喷漆喷胶等的喷头，将会使喷涂的液滴更加均匀，雾化效果更好，可以运用在对喷涂效果有特殊要求的场合"另外如果以这类材料制作毛细管类的材料，将会使液滴的虹吸量更少，可以制造体积更小精密度更高的液体传输设备。
3表面润湿性的转变响应性材料使得人们能够通过外界刺激来改变材料的各种性质，在这里我们主要介绍通过外界刺激来智能地控制表面润湿性行为。
表面湿润性的转变方法主要有电场诱导，应力作用，光响应，温度响应和pH 值响应等。
Lahnn教授首次利用带有亲水性端基的长链烷烃在电场作用下的构型变化，实现了电场诱导的浸润性的转变[12]。
M.Berggren教授也进行了由固体电解质与电化学活性的导电聚合物相结合构成的电润湿开关的研究[13]。
长春应化所的韩艳春教授研究小组[14]报道了三角形网结构的聚酰胺膜，通过对此膜双轴方向的拉伸和恢复，可以实现从超疏水到超亲水的可逆转变。
Fujishima教授领导的研究小组报道了在紫外光照射的条件下TiO2材料能够产生同时超亲水和超亲油的性质[15]。
利用电化学、水热合成等方法构筑表面粗糙的SnO2、ZnO、TiO2、WO3和V2O5等光敏材料，通过紫外光的照射，这些材料可以实现超亲水和超疏水之间的可逆转变。
江雷教授[16]将含有这种高分子的共聚物接枝到了粗糙的硅片表面，从而实现了由温度控制的超亲水超疏水的可逆转变。
而如果将聚异丙基丙烯酰胺的共聚物接枝在平整的硅片表面，那么它只能实现亲水和疏水之间的转化。
Whitesides研究小组[17]首先报道了平滑表面上pH值响应的润湿性行为，他们将极性有机官能团，如羧基和氨基等修饰于低密度的聚苯乙烯表面，并测量了这些表面含有机酸和碱性基团的接触角随pH值的变化。
4 超疏水材料的制备人们发现材料表面的超疏水性质是材料表面的化学组成及表面结构共同作用的结果。
北京化学所的江雷教授首次提出了“二元协同作用”这一概念[18]。
根据这一概念，超疏水表面通常需要经由两步获得：(1)在材料的表面构筑粗糙结构；(2)在粗糙表面上接枝低表面能的试剂。
基于这两条基本原则，许多方法被用来构建超疏水表面，其中最常用的制备手段有：层层组装法、溶液浸泡法、电化学沉积法、模板法和气相沉积法等。
4.1层层组装法吉林大学孙俊奇教授的研究小组[19]报道了一种利用层层组装技术将粒径为220 纳米的二氧化硅小球生长到粒径为600 纳米二氧化硅小球上的方法，整个体系为呈树莓状的二元纳微分级结构。
这些树莓状的小球经过疏水试剂接枝后，接触角达到了157°，滚动角小于5°。
相反，对于单一粒径的二氧化硅微球而言，经同样方法处理后，所得到的膜层的接触角为147°，滚动角为30°。
4.2 溶液浸泡法Bell 教授利用简单的置换反应，将铜片或锌片放入金或银的盐溶液中，由于在金属活动顺序表中，铜和锌要比金和银活泼，因此在铜片和锌片的表面上会生长出金或者银的纳米粒子，从而增加了材料表面的粗糙度，如图2所示[20]，经过疏水试剂的处理后，表面接触角可以到达到180°。
图2以上方法是通过两步来实现超疏水表面制备的：第一，在材料表面构造粗糙结构；第二，在粗糙结构的表面接枝疏水试剂。
姚建年教授的研究团队最近报道了一种通过溶液浸泡法一步制备超疏水材料的方法，这种方法将表面粗糙处理和表面接枝通过一步来完成：他们将表面光滑的铜片放在特定[Ag(NH3)2]OH 溶液中，经过6个小时的浸泡后，在铜片表面出现了类似于玫瑰花花瓣的结构，测试其接触角达到了156°，如图3所示[21]。
图34.3 电化学沉积法电化学沉积法是制备超疏水薄膜的常用方法，它通过氧化还原反应，在工件表面沉积出微纳米结构。
通过调整反应时间、沉积电压等参数，对沉积表面形貌进行控制。
Giovanni Zangari等[22]将Si基体处理为多孔硅片，再将Au离子沉积到多孔硅片基体上获得树枝状的Au簇，经过化学修饰后，得到了将近180°的超疏水表面；Liu Hongtao等[23]在碳钢表面，利用双层纳米复合电刷镀方法制备出纳米-C/Ni和纳米-Cu/Ni复合双层镀层，经过低能物质修饰后，这种镀层表面的水接触角达到155.5°、滚动角为5°，并且这一超疏水表面具有优异的抗腐蚀特性；Chen Zhi等[24]以乙醇溶液溶解的CoCl2为电解液在不锈钢表面利用电沉积法一步制备出接触角高达160°的超疏水表面。
4.4模板法清华大学的王晓工教授，通过揭起软刻蚀的方法，制备了仿生的荷叶表面[25]。
首先，他将聚二甲基硅氧烷模板的预聚体压印在荷叶的表面，在适当条件时预聚体聚合后被揭起，就得到了与荷叶表面完全相反的反相PDMS 结构。
接着再以这种反相结构为模板，在高分子epoxy-based azo polymer(BP-AZ-CA)上面利用微接触印刷技术再次压印，得到与PDMS 模板表面形貌刚好相反的高分子图案而这种图案与荷叶表面的形貌完全一致，如图4 所示。
测试其表面接触角为156°。
对比而言，平整的BP-AZ-CA 高分子模板表面接触角只有82°。
图44.5气相沉积法江雷教授的研究小组报道了利用化学气相沉积(CVD)法在石英基底上制备了各种图案结构，如蜂房状、柱状和岛状的阵列碳纳米管膜，如图5所示[26]。
结果表明，水在这些膜表面的接触角都大于160°，滚动角都小于5°，纳米结构和微米结构在表面的阶层排列被认为是产生这种高接触角，低滚动角的主要原因。
图55制备超疏水表面材料存在的问题在制备超疏水表面过程中,往往要构建微纳米级的双微观结构,正是由于微纳米级的粗糙结构再覆以低表面能物质使得具有优良的疏水性能。