超疏水表面制备技术的研究进展

构和低表面能物质修饰 ２个方面总结近年来超疏水表面制备技术的研究进展 ，并对超疏水表面的研究进行展望。
关 键词 ：超疏 水 ；接 触 角 ；低 表 面能 物 质 ；微 细结 构 中图分 类 号 ：０ ４ 文献标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：０５ ０ ５ （０ １ １ ０ ５ ６７ ２４— １０ ２ １ ） —１７—
ｌｔ ｎ ｈｐ ｗｅｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｉｆ ｅ ｃ ｆｓ ｒａ ｅ ｒｕ ｈ ｍｉｒ ｓｒ ｃｕ ｅ ｏ ｏ ｔｃ ｎ ｌ ｓ ｄｓ ｕ ｓｄ． ｕ ｅｈ ｄ ｏ ａ ｉ ｓ ｉ ｒ ｎｒｄ ｃ ｄ， ｎ ｈ ｎ ｌ ｎ ｅｏ ｕ ｆ ｃ ｏ ｇ ｃ ｏｔｕ ｔｒ ｎ ｃ ｎａ ｔａ ｇｅ ｗａ ｉｃ ｓｅ Ｓ ｐ ｒ ｙ ｒ— ｏ ｕ
低表 面能物质 聚二 甲基硅氧烷 （ Ｄ ）具有 良 Ｐ ＭＳ 好的稳定性 和疏水性能 ，常被作为制备超疏水表面的 材料 。Ｇｖｎ ｈ 等 利用 酸化处 理得 到粗糙的 Ｐ ＭＳ ｉ ｃｙ ｅ Ｄ 物质表面 ，再将 其与全 氟分子膜结合 ，构造 出超疏水
氟丙烯聚合层进行表面修饰 ，研究表明 ，具有最大纵 横 比的表面 ，其疏水性最好 ，可 以达到 １０ 。 ７。
基金 项 目 ：国家 自然科 学基 金资助 项 目 （０７０６ ；辽 宁省 ５９５３ ） 高校重 点实验 室项 目 （０ ８０９ ． ２０Ｓ２ ）
收稿 日期 ：２ １ ０ ２ ０ ０— ７— ６
面上 的表面张力 。此时 ３种表面张力相互作用处于平
衡状态 ，得 到本 征接 触角 。对实 际表 面 而言 ，必
２１ ０ １年第 １ 期
李
杰等 ：超疏水表面制备技术的研究进 展
１９ ０
板 ，从而使沉积形成的 Ｐ Ｆ Ｔ Ｅ表面具有典 型的荷 叶乳
突状 粗 糙 结 构 ，之 后 再 将 其 浸 润 到 不 同 的 溶 液 （８ 的浓硫 酸 、５ｍ ｌＬ氢 氧 化钠 、对 二 甲苯 和 四 ９％ ｏ ／ 氢呋喃） 中分 别进行 固化 处 理 ，研 究表 明此法制 备
Ａｂｔａ ｔＳ ｐ ｒ ｙ ｒｐ ｏ ｉ ｕ ｆｃ ｔ ｏ ・ ｔ ｎ ｎ ｅ －ｌａ ｉｇ ｐ ｏ ｅｔｅ ａ ｅ ａ ｏ ｓｄ ｇｅ ｔｉｔｒｓ ｗｉｇ ｔ ｓｒ ｃ ： ｕ ｅｈ ｄ ｏ ｈ ｂ ｃ ｓ ｒａ ｅｗｉｈ ｎ ｎ ｗｅｔ ｇ ａ ｄ ｓ ｒ ｃｅ ｎｎ ｒｐ ｒｉｓ ｈ ｖ ｒ ｕ ｅ ｒ ａ ｎ ｅｅ ｔｏ ｎ ｏ ｉ ｆ
ｔ ｅｒｐ ｔｎｉｌａ ｐ ｉａｉｎ Ｔｗｏｍｏ ｅｓｕ ｄ ｒｓ ｐ ｒ ｙ ｒｐ ｏ ｉ ｔｔ Ｗ ｅ ｚ ｌｍｏ ｅ ｎ ｓ ｉ— ｘｅ ｄ ｌ ａ ｄｔ ｅｒｒ — ｈ ｉ ｏｅ ｔ ｐ ｌ ｔ ． ａ ｃ ｏ ｄ ｌ ｎ ｅ ｕ ｅ ｈ ｄ ｏ ｈ ｂｃ ｓａｅ， ｎ ｅ ｄ ｌａ ｄ Ｃａ ｓｅ Ｂａ ｔｒｍｏ ｅ ， ｎ ｈ ｉ ｅ
（ ｅａｔ ｅｔ ｆ ｃａｉ ｌ ｎｉ ｅｉ ， ａ ａ ａ ｔ ｅＵ ｉ ｒｔ， ａａ ｉ ｎｎ １０ ６ Ｃ ｉａ Ｄ ｐｒ ｎ ｏ Ｍｅｈｎｃ ｇ ｅｒ ｇ Ｄ ｉ Ｍ ｒｉ ｎ ｅｓｙＤ ｉ Ｌａ ｉｇ１６２ ，ｈｎ ） ｍ ａＥ ｎ ｎ ｌ ｎ ｉ ｍ ｖ ｉ ｌ ｎ ｏ
状结构的透明玻 璃基底 ，经 Ｆ Ｔ Ｏ Ｓ自组装分 子膜 沉积 后形成透明的超疏水表 面。Ｓｒａ 等 利用 Ｐ Ｆ ａｋｒ Ｔ Ｅ修
性 。Ｌ 等 利用紫外 照射构造 出含 氟三嵌段 叠氮 共 ｉ 聚物 的织 物 状 表 面 结 构 ，研 究 表 明其 接 触 角 可 达 １５ ，且具有 自清洁能力和很好 的化学稳定性。 ５。
２ ３ 其 他 材 料 ．
沉积法是一种简单 、高效 、廉 价且不受基底形状 限制的制备粗 糙结构 的有效方法 ，近年来在材料学和 其他领域获得 了广泛应 用。Ｃｉ ｒ ｋ等 利用化学气相 ｃ 沉积技术实现对商用 树脂 的 ３种 聚合物 薄膜的构建 ， 通过在不 同温度下的 ３种基底上用气溶胶辅助沉积过 程制备 出具有疏水和超疏水 表面 ，其最大接触角可以 达到 １０ 。Ｇ ｐ 等 利用 脉冲电沉积技术在具有分 ７ 。 ｕｔ ａ 级粗糙度结构的硅表 面上制备 Ｐ Ｆ Ｔ Ｅ薄膜 ，测 得其接 触角可 以达到 １６ 。Ｓｒａ 等 利用 等 离 子增强 化 ６。 ａ ｒ ｋ 学气相沉积技术制备 出烃和氟化烃的涂 层 ，将其分别 沉积到具有微／ 纳米 多级粗 糙结构 的铝基底 和光滑硅
的试样表面均 可达 到超疏 水状 态且 具有 较强 的稳 定
等。ｗｕ 等 利用激光刻蚀技术在不锈钢表 面构造 出 具有不 同表 面微细结构的基底 ，再对基底进行表 面硅 烷化处理 ，研究表 明具 有微米／ 亚微 米多级 结构 的不 锈钢基底表面 的接触 角最 大 ，可 以达到 超疏水 。Ｌｍ ｉ 等 利用等离子刻蚀技 术制 造 出具 有表 面纳米 级塔
超 疏 水 表 面 制 备 技 术 的研 究 进展
李 杰 张 会 臣
（ 大连海事大学机械工程系 辽宁大连 １６２ ） ０ ６ １
摘 要 ：具 有非 润 湿和 自清 洁特 性 的超 疏水 表 面 由于 其广 阔 的应 用 前 景 而 引 起 人 们 的 极 大 关 注 。介 绍 超 疏 水 状 态 下 Ｗｅｚｌ Ｃｓｉ Ｂ ｘ ｒ ｎｅ 和 ａｓ —ａｔ 接触 模 型及 其 相 互关 系 ，讨 论 ２种 模 型下 表 面微 细 结构 对 接 触 角 的影 响 。从 构造 表 面微 细结 ｅ ｅ ２种
超 疏 水表 面是 指 基 底 材 料 对 水 的静 态 接触 角 （ 即接触角 ）大于 １０ 的表面 ，如 自然界 中广泛存在 ５。 的蜻蜓翅膀 、水黾的腿 、莲属科 叶面 等 ，它们 均具有超疏 水性 和 自清 洁能力 。大量 的研 究报 道表 明，此类超疏 水表 面是 由具 有微／ 纳米 多级粗糙 表 面
具有超疏水性的材料对加深材料特性认识 、扩展材料 应用范围及 提高材料应用性能都具有重要的意义。
接触角大小是衡量 固体 表面疏 水性 的重要标准 。
对超疏水表面的理论分析 与研究主要是从表面粗糙结 构与接触角之间的关 系为出发点 的。液滴在固体表面 上处于稳态时 ，其接触角是 固液 、固气 、液气界面上 的表面张力 相互 作用 的结 果 ，此 时系统 能量 之和 最
ｃ ｔ ｎ ｗａ ｕ ａｉ ｓｓ ｍｍａｉｅ ａ ｄ ｔ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆｓ ｐ ｒ ｙ ｒｐ ｏ ｉ ｕｆｃ ｓｐ ｏ ｐ ｃｅ ． ｏ ｒｚ ｄ， ｎ ｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｕ ｅｈ ｄ ｏ ｈ ｂｃ ｓ ｒａ ｅｗａ ｒ ｓ ｅ ｔｄ Ｋｅｗｏ ｄ ：ｕ ｅｈ ｄ ｏ ｈ ｂｃ； ｏ ｔｃ ｎ ｌ ；ｏ ｕ ａ ｅ ｅ ｅ ｇ ｔｒａｓ ｒ ｕ ｈ ｍｉｒｓｒ ｃｕ ｅ ｙ ｒ ｓ ｓ ｐ ｒ ｙ ｒ ｐ ｏ ｉ ｃ ｎ ａ ｔａ ｇｅ ｌｗ Ｓ ｒ ｃ ｎ ｒ ｍａｅ ｌ ；ｏ ｇ ｃｏ ｔｕ ｔｒ ｆ ｙ ｉ
２１ ０ １年 １ 月
润 滑 与 密封
Ｌ ＲＩ ＵＢ ＣＡＴＩ ＯＮ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
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Ｖｏ ． ６ Ｎｏ １ １３ ． 来自第３ ６卷 第 １ 期
Ｄ Ｉ ０ ３ ６ ／．ｓ ． ２ ４— １０ ２ １ ． １ ０ ８ Ｏ ：１ ． ９ ９ ｊｉ ｎ ０ ５ ０ ５ ． ０ １Ｏ ． ２ ｓ
备超疏水表面的技术不断被报道 。目前制备超疏水表 面的技术可 以分成两 大类 ：一是 在低表 面能物 质 上构建微细结构 ；二是利用低表面能物质 修饰具有微 细结构的表 面。本文作者介绍了超疏水状态下 的接触 模 型和超疏水表 面的构建方法 ，并对超疏水表面的研
究 进 行 了展 望 。 １ 超 疏 水 表 面 的 接 触模 型
３２ ． 沉 积 法
表面 ，其接触角可达 １０ 。Ｂ ｒａ 等 利用等 离子 ６ 。 ａｂｒ ａ 技术加工 Ｐ Ｍ Ｄ Ｓ表 面 ，使其成为 具有微／ 米多 级结 纳
构 的粗糙表面 ，可得 到接 触 角达到 １０ 的超 疏水 表 ７。 面。ｘ ｕ等 利用聚 甲基丙 烯酸 甲酯 （ ＭＭ Ｐ Ａ）与银 硫醇的混合物喷射沉积在玻璃基底上 ，使沉积层具有 多级粗糙度 的表面微细结构 ，从而制备 出具有 超疏水 性的表面 ，研究表明 ，该混合物制备 的表面疏水性远 大于由 Ｐ Ａ单独制 备得到 的表 面 ，且此 种方 法制 ＭＭ 备的超疏水材料具有 吸收紫外线的作用。
ｐ ｏ ｉ ｕ ｆ ｃ ｒ ｐ ｒｔｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｂ ｕ ａ ｅ ｒｕ ｈ ｍｉｒ ｓｒ ｃｕ ｅ ｐ ｅ ａａ ｉｎ ａ ｄ ｌｗ ｓ ｒａ ｅ ｅ ｅｇ ｔｒａ ｄｆ ｈ ｂｃ ｓ ｒａ ｅ ｐｅ ａａｉｎ ｔｃ ｎ ｌｇ ｙ ｓ ｒ ｃ ｏ ｇ ｃ ｏｔｎ ｔ ｒ ｒｐ ｒ ｔ ｎ ｏ ｕ ｃ ｎ ｒ ｍａｅ ｌｍｏ ｉ — ｆ ｏ ｆ ｙ ｉ ｉ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｕ ｅ ｈ ｄ ｏ ｈｏ ｉ ｕ ｆ ｃ ｅ ａ ａ ｉ ｎ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｎ Ｓ ｐ ｒ ｙ ｒ ｐ ｂ ｃ Ｓ ｒ ａ ｅ Ｐｒ ｐ ｒ ｔｏ ｃ ｎｏ ｏ ｙ
Ｌ ｉ Ｚ ａ ｇ Ｈｕｃ ｅ ｉ ｅ ｄ ｈ ｎ ｉｈ ｎ
结构结合某种低 表面能物质 （ 如蜡质 晶体 ）构成 的， 其具有 较小 的滚动接触角和 自清洁效果 。 。超疏水 表面所 具有 的非润湿 和 自清洁特性使其 可以广泛地应 用在人类 的 日常生活与工农业生产中。例如 ，将此类 表面应用在微／ 纳米机械 电子系统 中可 以有 效地改 善 其抗黏着特性 。 ；微流体系统中的超疏水表 面可以 有效地减少流体阻力 ，提 高微 流体系统工作 的可 靠性 。此外 ，超疏 水表 面在农 业 除草剂 、 自清洁 材料… 等诸多方 面均有 应用 。因此 ，研 究 和开发
基底上 ，结果 表明 ，粗糙铝基底 上的接触角远大于光 滑硅基底上 的接触角 ，且达到超疏水 。
３ ３ 电 纺技 术 ．
２ ２ 有机硅烷树脂及聚合物 ．
饰经化学 刻蚀 的具有 表 面微细 结构 的铝 合金 基底表 面 ，制造 出接触 角可达 １４ 的超疏 水表面 。Ｂ ｒ ｄ． ６。 ｅ ｎｓ ｅ
ｅ 等 利用定 制激 光 的干涉光刻 和电镀过程 对热塑 ｎ 性 聚合材料进行表面纹理构造 ，再用低表面能物质六
须考察表面粗糙结构对 接触角 的影响 。
１ １ Ｗ ｅ ｚｌ 型 ． ｎｅ模
作者简 介 ：李 杰 （９４ ） １８一 ，男 ，博士研 究生 ，主要从 事 纳米摩 擦 学研究 ．Ｅｍ ｉ ｉ １８ １３ ＠ｄ ｕ ｅｕａ ． — ａ ：ｌｉ ９４２ １ ｌ ．ｄ．ｌ ｌ ｊ ｅ ｍ １
为 了研究具有微 细粗糙结构 的表面对固体表 面疏 水性能的影 响，在 Ｙ ｕ ｇ 程 的基 础上 分别 提 出 了 ｏｎ 方 Ｗｅｚｌ 模 型 和 Ｃ ｓｉ Ｂ ｘ ｒ７模 型。图 １所 示 为 ｎｅ¨ ａｓ ．ａｔ Ｉ］ ｅ ｅ１
低¨ 。理想状态下 平整 光滑 固体表 面的接触 角可 由
Ｙｕｇ ｏｎ 方程表示 ：
ｃ Ｓｏ＝（ ｖ— Ｌ ／ Ｌ Ｏ０ ｓ ｓ） Ｔ Ｖ （） １
式中：
、
和 分别 代表 固气 、固液 和液 气界
自从 １９ ９ ６年 Ｋ ｏ公司 的科研人 员第一 次人工 制 ａ 备出接触角达到 １４ 的超 疏水表 面 以来 ，人工 制 ７。