超疏水高分子薄膜的研究进展 (1)

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超疏水表面的研究进展

政策与资金支持
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。

抗污染超级疏水纳米纤维薄膜的制备及其应用研究

抗污染超级疏水纳米纤维薄膜的制备及其应用研究一、引言随着人类工业化的发展，工业污染严重威胁我们的环境和健康。

为了解决这一问题，研究人员不断探索新型的抗污染材料。

对于超级疏水材料的应用越来越引人关注。

本文的主要目的是介绍一种抗污染超级疏水纳米纤维薄膜的制备方法及其应用研究。

二、抗污染超级疏水纳米纤维薄膜的制备1、纳米纤维技术的应用纳米纤维技术是一种重要的纳米材料制备方法，该技术通过热致变性或静电纺丝技术制备具有纳米尺度的纤维。

纳米纤维具有特殊的形态结构和材料性能，因此在纳米科技领域应用广泛。

2、超级疏水现象的原理超级疏水材料表面的接触角通常大于150°，这是因为超级疏水表面具有微纳结构，使得水滴在表面形成独特的几何形态，从而形成很小的接触面积。

当液滴滑过表面时，会带走表面上的污渍，从而实现自清洁功能。

3、制备方法制备抗污染超级疏水纳米纤维薄膜的方法通常有两种：一种是将溶解的高分子聚合物加工成超级疏水材料；另一种是将聚合物纳米纤维通过静电纺丝或其他纺丝技术制备成超级疏水材料。

其中，静电纺丝技术是最为常用的制备方法之一。

三、抗污染超级疏水纳米纤维薄膜的应用研究1、自清洁陶瓷涂层传统的陶瓷涂层很容易受到空气中的灰尘或污染物的附着。

然而，经过特殊处理的超级疏水陶瓷涂层可以有效地防止污染物的附着，从而实现自清洁功能。

研究人员通过制备超级疏水的陶瓷涂层，使得陶瓷表面具有独特的微纳结构，从而实现自清洁功能。

2、自清洁建筑材料将超级疏水材料应用于建筑材料，可以有效地减少污染物对建筑表面的侵蚀，从而延长建筑材料的使用寿命。

研究人员通过制备抗污染超级疏水纳米纤维薄膜，将其用于建筑材料表面涂层，从而实现自清洁功能。

3、自清洁电池电池的附着污染物会导致电池的性能下降。

即使是微小的污染物也会对电池的性能产生影响。

因此，制备自清洁电池材料具有重要的研究意义。

研究人员通过制备超级疏水材料，将其应用于电池表面，实现电池的自清洁功能。

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。

超疏水涂膜的研究进展

收稿:2005年11月,收修改稿:2006年3月 *国家自然科学基金项目资助(No.20506005)**通讯联系人 e mail:zhryang @超疏水涂膜的研究进展*曲爱兰文秀芳皮丕辉程江杨卓如**(华南理工大学化工与能源学院广州510640)摘要超疏水涂膜以其独特的性能,在国防、工农业生产和日常生活中有着广泛的应用前景。

但目前的制备技术制约了其在建筑外墙涂料等大型设施方面的应用。

探索如何采用简单有效的方法构造和调控涂膜的双微观结构,从而获得性能持久优异的超疏水性涂膜,并有效应用于生产和生活的各个方面是这一领域研究的最终目标。

本文就超疏水材料表面理论的发展和近几年来超疏水膜制备技术取得的新成果进行了概括,并指出制备超疏水涂膜存在的问题和发展方向。

利用表面能极低的含氟材料,将溶胶凝胶、相分离技术和自组装梯度功能等技术有机结合,获得适宜的表面粗糙度和微观构造,是实现超疏水涂膜工业化生产的可行途径。

关键词超疏水膜接触角表面双微观结构梯度功能中图分类号:O647;TB43 文献标识码:A 文章编号:1005 281X(2006)11 1434 06Studies on Super Hydrophobic FilmsQu Ailan Wen Xiufang Pi Pihui Cheng Jiang Yang Zhuoru(The School of Chemical and Energy Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)Abstract Super hydrophobic film is of promise prospect applied in various industrial products.But it is limited by preparing techniques for use as coatings of outside building and large equipments.It is the aim to search simple and effective methods to prepare and control the micro nano binary structure to get super hydrophobic coating.Here we briefly review the development of the theory and recent progress in the process and properties of super hydrophobic films.It is a possible way to realize industrial produc tion of super hydrophobic coating with appropriate roughness and microstructure by the combination of different technologies such as sol gel,phase separation and self assembly of low surface energy materials.Key words super hydrophobic film;contac t angle;micro nano binary structure;gradient function1 引言近年来,植物叶子表面的超疏水性和自清洁效果引起了人们的很大兴趣。

超疏水性涂层的研究进展

收稿日期:2005-05-30作者简介:段　辉(1963-),男,湖北武汉人,博士研究生,主要从事舰船用高分子材料的研究工作。

联系人:段　辉,电话:(027)83615466,E 2mail :hgdh2005@ 。

文章编号:1004-9533(2006)01-0081-07超疏水性涂层的研究进展段　辉1,2,熊征蓉1,汪厚植1,赵惠中1,高殿强3(11武汉科技大学湖北省耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北武汉430081;21海军工程大学理学院,湖北武汉430033;31江汉大学化学与环境工程学院,湖北武汉430056)摘要:简述了超疏水性表面的基本原理,分别从低表面能材料和涂层表面微细粗糙结构的构建两个方面,对超疏水性涂层的制备技术和最新成果进行了概括,并展望了其应用前景。

关键词:超疏水;接触角;低表面能;粗糙度中图分类号: 文献标识码:ADevelopment of Super 2H ydrophobic CoatingsDUAN Hui1,2,XI ONG Zheng 2rong 1,W ANG H ou 2zhi 1,ZH AO Hui 2zhong 1,G AO Dian 2qiang3(11The Hubei Province M inistry 2Province Jointly 2C onstructed Cultivation Base for S tate K ey Lab of Refractories and Ceramics ,Wuhan University of Science and T echnology ,Hubei Wuhan 430081,China ;21Department of Basic C ourses ,Naval University of Engineering ,Hubei Wuhan 430033,China ;31School of Chemistry and Environmental Engineering ,Jianghan University ,Hubei Wuhan 430056,China )Abstract :In this paper ,the basic principles of super 2hydrophobic surfaces are outlined from tw o aspects by introducing materials of low surface energy and rough surface of coatings respectively.The preparation technology and the new development of super 2hydrophobic coatings are reviewed ,and application of super 2hydrophobic coatings is proposed.K ey w ords :super 2hydrophobic ;contact angle ;low surface energy ;roughness 随着科学技术的不断进步,人们对涂层性能的要求越来越高,使具有疏水性能的涂层研究成为新的热点。

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。

超疏水涂层防覆冰技术研究进展

㊀第43卷㊀第4期2024年4月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.4Apr.2024收稿日期:2022-04-23㊀㊀修回日期:2022-07-15基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学青年基金项目(2021D01C100);天山青年计划项目(2020Q012);天池百人计划项目(TCBR202106)第一作者:陈小东,男,1997年生,硕士研究生通讯作者:胡丽娜,女,1986年生,副教授,硕士生导师,Email:hulina@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202204022超疏水涂层防覆冰技术研究进展陈小东,胡丽娜,杜一枝(新疆大学电气工程学院,新疆乌鲁木齐830017)摘㊀要:覆冰现象时刻威胁着电力系统的安全运行,过去几十年里,研究人员采用各种措施来预防电力设备表面覆冰,但这些措施都无法从根本上解决该问题㊂超疏水涂层由于具有独特的微纳米结构及低表面能物质,在低温环境下,能够延缓结冰且降低表面的冰附着力㊂从超疏水涂层的防覆冰机理入手,重点综述国内外超疏水涂层防覆冰的实验研究现状,并将影响防覆冰性能的因素分为环境因素和基底因素,分析当前方案的局限性,同时阐述提高超疏水涂层机械鲁棒性的设计与制备方面的最新进展,最后提出超疏水涂层在电力系统应用中存在的问题以及未来的发展方向㊂该综述有助于研究人员建立评估超疏水涂层的防覆冰性能的试验规范,并推进超疏水涂层防覆冰技术在电力系统中的应用㊂关键词:电力系统;超疏水涂层;防覆冰机理;环境因素;基底因素中图分类号:TG174.4㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)04-0301-10引用格式:陈小东,胡丽娜,杜一枝.超疏水涂层防覆冰技术研究进展[J].中国材料进展,2024,43(4):301-310.CHEN X D,HU L N,DU Y Z.Research Progress of Anti-Icing Technology of Superhydrophobic Coating[J].Materials China,2024,43(4):301-310.Research Progress of Anti-Icing Technology ofSuperhydrophobic CoatingCHEN Xiaodong,HU Lina,DU Yizhi(School of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830017,China)Abstract :Icing always threatens the safe operation of power system.In the past few decades,researchers have taken vari-ous measures to prevent the icing on the surface of power equipments,but these measures can not fundamentally solve this problem.Due to its unique micro-nano structure and low surface energy materials,superhydrophobic coating can delay icing and reduce the adhesion ability of surface ice at low temperature.Therefore,started with the anti-icing mechanism of super-hydrophobic coating,this paper focuses on the experimental research status of anti-icing of superhydrophobic coating at home and abroad,divides the factors affecting the anti-icing performance into environmental factors and substrate factors,analyzes the limitations of the current schemes,and expounds the latest design and preparation progress on improving the mechanical robustness of superhydrophobic coating.Finally,the problems existing in the application of superhydrophobic coating in pow-er system and the future development direction are put forward.This review is helpful for researchers to establish test specifi-cations for evaluating the anti-icing performance of superhydrophobic coatings and promote their application in power system.Key words :power system;superhydrophobic coating;anti-icing mechanism;environmental factors;substrate factors1㊀前㊀言随着特高压直流输电技术的突破和新能源并网需求的增多,电力设备数量激增,设备表面凝露[1,2]㊁覆冰现象降低了电网供电能力,给电网的检修维护提出巨大挑战㊂在国内外学者的不断探索下,目前主要有2种思路来应对电力设备的防覆冰问题:除冰和防冰[3,4]㊂除冰方法包括:机械除冰法[5,6]㊁热力除冰法[7-9]㊁电磁除冰法和超声波除冰法[10]㊁化学除冰法[11,12]㊂防冰方法包括被动除冰法以及其它方法[13]㊂被动除冰方法是指涂覆电热防冰材料[14,15]和光热防冰材料[16,17],这种方法会导致电线中有泄露电流,且增加线路损耗㊂近10年来,随着仿生涂层材料的发展[18],研究人员从单一的除冰或防中国材料进展第43卷冰开始走向防-除并举 ,着重于防㊂受荷叶效应启发,1996年Onda等[19]在玻璃板上用烷基烯二聚体制备粗糙表面,并在其上涂覆低表面能材料,首次获得了人工超疏水表面,为超疏水涂层的制备提供重要思路㊂该涂层使液滴难以附着于表面,在很大程度上减少了表面结冰概率和结冰量㊂图1列举了自然界中超疏水涂层的例子[20-23]㊂全力挖掘超疏水涂层在防覆冰领域的潜力,对我国双碳目标的实现具有重大意义㊂图1㊀自然界中超疏水涂层的例子:(a)莲叶[20],(b)鼠尾草表面[21],(c)蝴蝶翅膀[22],(d)壁虎足底[23] Fig.1㊀Examples of superhydrophobic coatings in nature:(a)lotus leaf[20],(b)sage surface[21],(c)butterfly wings[22],(d) gecko foot[23]㊀㊀目前研究现状表明,还没有一种材料可以完全解决如低温高湿等的复杂环境中的积冰问题,现有关于超疏水涂层的研究多数处于实验室阶段㊂因此,本文从超疏水涂层的防覆冰机理着手,重点综述超疏水涂层防覆冰性能的主要影响因素,探讨与工程实际应用环境的差距,总结当前设计方案的局限,同时针对超疏水涂层机械稳定性差这一问题,阐述提高涂层鲁棒性的设计与制备方法的最新进展㊂本综述希望为适应复杂环境的超疏水涂层的设计提供支撑,加快工业化进程㊂2㊀超疏水涂层防覆冰机理表面结冰从宏观上可分为3个阶段:首先是水蒸气或小液滴在冷表面凝结;其次是过冷液滴结冰;最后是液滴完全冻结,固态冰继续增长[24,25]㊂超疏水涂层的防覆冰机理可从3个方面阐释:一是超疏水涂层表面的过冷液滴滑落[26];二是超疏水涂层表面可延缓液滴结冰过程[27,28];三是超疏水涂层的低表面能可降低冰与基底的粘附力[29,30]㊂2.1㊀过冷液滴滑落超疏水涂层具有微纳米粗糙结构及低表面能物质,液滴在表面呈Cassie-Baxter状态[31],此状态下,液滴与表面粗糙结构之间存在空气垫 ,这些空气垫起到托举作用,减小了液滴与表面的接触面积㊂相较于亲水和疏水表面,当液滴撞击到超疏水表面或液滴受到外力时,在-25ħ左右液滴出现明显的收缩和反弹行为[32],且最大限度地缩短过冷水与表面的接触时间㊂但是在高湿度㊁接近露点温度时,超疏水表面的接触角降低,滚动角增加,这种液滴的弹跳效应可能无效[33],因此在表面试验时,要仔细考虑环境因素㊂除了空气垫作用,冷凝形成的小水珠在超疏水涂层纳米结构的毛细管力作用下逃逸出纳米间隙,随后与其他水珠结合成小水滴,该过程释放的能量使得水滴发生自迁移[34]㊂由于空气垫作用和自迁移现象,液滴在结冰之前会从超疏水表面滑落,从而大大降低表面的结冰概率和结冰量㊂图2为液滴在超疏水表面的各种状态㊂图2㊀液滴在超疏水表面的各种可能状态:(a)Cassie-Baxter状态,(b)液滴在表面滑落,(c)液滴弹跳Fig.2㊀Possible states of droplets on superhydrophobic coatings:(a)Cassie-Baxter state,(b)droplets sliding on the surface,(c)droplet bouncing2.2㊀延缓结冰时间经典成核理论中,均相成核能垒由式(1)计算: 203㊀第4期陈小东等:超疏水涂层防覆冰技术研究进展ΔGhomo c=16πγ33(ΔG V )2(1)式中,γ为冰和水的界面张力,ΔG V 为单位体积冰和水的自由能之差㊂考虑到外界因素对成核的促进作用,此时结冰为异相成核过程,成核能垒为[35]:ΔG c =ΔGhomo cf (m ,x )(2)式(2)中,系数f (m ,x )取值在0到1之间㊂对于表面的结冰现象,在一定的驱动力下,主要考虑表面形貌对成核能垒的影响[35],即:f (m ,x )=12+121-mx w ()+x 322-3x -m w ()+(x -m )3w éëêùûú+3mx 32x -m w -1()(3)式(3)中,w =(1+x 2-2xm )1/2,m =cos θ,x =r /r c ,θ为冰核与表面的接触角,r 为成核促进粒子半径,r c 为结冰的临界成核半径㊂研究表明,在一定的驱动力下,液滴在凸面成核时,基底曲率半径越小,成核能垒越高;而在凹面成核时,刚好相反[36,37]㊂最近,作者课题组最新研究成果也证实了这一点[38]㊂除此之外,作者团队从理论上确定了圆柱体表面液滴成核所需能垒,成核能垒处在平面㊁球面液滴成核能垒之间[38]㊂由于超疏水表面微纳米粗糙结构的存在,使液滴的成核能垒高于普通表面,从而导致液滴结冰过程得到延缓㊂成核基底的形貌也影响成核速率,研究发现20nm 的颗粒尺寸设计比100nm 的颗粒尺寸设计具有更低的冰核形成速率[39]㊂从传热角度分析,超疏水涂层粗糙结构中的空气起到了隔离和热障作用,导致传热速率大大降低(图3[40]),减缓液滴在冷表面的成核以及成核后冻结峰的传播[41]㊂图3㊀冻结液滴在不同表面的散热过程示意图[40]:(a)亲水表面,(b)疏水表面Fig.3㊀Heat dissipation process schematics of frozen droplets on differ-ent surfaces [40]:(a)hydrophilic surface,(b)hydrophobic surface超疏水涂层边缘结冰现象也是表面结冰速率减缓的原因之一,由于超疏水涂层边缘处热力学相变驱动力大于中间,因此超疏水表面结冰是由边缘逐渐向中间蔓延,减缓了整个表面结冰过程㊂图4为超疏水铜表面的边缘结冰现象[42]㊂图4㊀超疏水铜表面边缘结冰现象[42]Fig.4㊀Icing on the edge of superhydrophobic copper surface [42]2.3㊀降低冰与基底的粘附力冰的粘附力是衡量超疏水涂层防覆冰性能的重要指标㊂从根本上说,冰与固体表面之间的相互作用包括长程的范德华力㊁短程静电作用和界面微观凸起的机械联锁[29],水在表面上的吸附由粘合力和内聚力之间的平衡造成,水分子之间氢键以及水分子和衬底之间氢键的相对强度决定了吸附力的大小㊂超疏水表面具有键合强度较低的氢键位点,导致水分子之间的内聚力大于水对基体的粘合力,使得液滴与超疏水表面的接触角较大,接触面积较小[43],从而降低表面冰的粘附力,许多研究也证实了这一点[44-46]㊂但也有学者发现,超疏水涂层在经过多次结冰融冰实验后,表面防覆冰能力减303中国材料进展第43卷弱,原因是液滴体积膨胀破坏了表面微观结构[47]㊂图5为结冰导致超疏水表面微观结构被破坏的示意图㊂因此,对于超疏水涂层是否真正有利于减小冰的粘附有待进一步研究㊂图5㊀结冰导致超疏水表面微观结构被破坏[47]Fig.5㊀Microstructure of superhydrophobic surface being destroyedby freezing [47]除了上述3个方面,还要综合考虑液滴中的杂质㊁表面化学性质㊁环境因素(温度㊁湿度㊁风速)的协同作用,这样问题也更加复杂,需要国内外学者展开更深入的研究㊂3㊀超疏水涂层防覆冰性能的实验研究超疏水涂层在低温高湿条件下是否具有良好的防覆冰性能,如较长的液滴冻结延迟时间和较低的冰粘附力,以及是否存在浸润性的转变,如由表面超疏水变为疏水,在学术界仍存在争议,原因在于各个研究之间实验条件不同㊂成冰方式可分为:静态结冰,即水蒸气在基底表面冷凝结冰;动态结冰,即液滴撞击冷基底表面凝结结冰㊂多数实验研究以一定条件下超疏水涂层表面液滴结冰速度㊁结霜量以及冰附着力的大小,作为防覆冰性能的评判依据㊂总结近几年国内外文献发现,将防覆冰性能影响因素可分为2类:一类是环境因素,即温度㊁湿度㊁液滴撞击速度㊁风速;另一类是基底因素,即粗糙度㊁浸润性㊁机械鲁棒性㊂3.1㊀环境因素环境因素对超疏水涂层防覆冰性能的影响可分为三方面:一是对液滴结冰时间延迟的影响,多数研究表明超疏水涂层可以延迟液滴结冰;二是对基底上液滴润湿状态改变的影响,这直接关系超疏水涂层防冰㊁除冰性能;三是对动态结冰中液滴撞击表面后动力学行为的影响㊂3.1.1㊀温度液滴结冰过程伴随着液滴与环境之间的热传递,温度不仅影响热传递速率,也是构成成核能垒的关键因素㊂2010年,周艳艳[48]开展了-7.5,-11.8,-21.1,-28及-35ħ环境温度下普通铝表面㊁疏水铝表面㊁超疏水铝表面结霜试验,结果显示随着温度的降低,3种表面的结霜量都不断增加,但在同一温度下,超疏水铝表面的结霜量相较于普通铝表面有很大程度的减少,说明超疏水铝表面具有很好的防覆冰性能㊂2011年,徐文骥等[49]测量了基体温度为-5.2,-10.1及-14.2ħ时普通铝片和超疏水铝片表面结霜质量和边缘处结霜高度,发现随着温度降低,二者边缘处霜高都相应增加且差异不大,但是处于同一基体温度时超疏水铝片表面的结霜质量较少,当完成50次结霜除霜实验后,超疏水性能仍能保持㊂2014年,Hao 等[50]探究了温度对超疏水铜表面结冰㊁结霜行为的影响,发现基底温度越低,样品表面结冰㊁结霜速度越快㊂2015年,Ou 等[51]在不同温度下测量了亲水㊁疏水和超疏水表面冰的粘附力,结果显示随着温度的降低,冰在3种表面的粘附力均有所增加㊂但是对于超疏水样品,其表面冰粘附力增加幅度比亲水和疏水样品更为明显,这是因为温度较低时,液滴渗透到微结构内部,与表面形成机械联锁㊂2015年,Shen 等[52]研究了不同样品表面液滴结冰时冰层生长速度与温度的关系,结果表明冰层生长速度随着温度降低而增大,但是超疏水表面的冰层生长速度随温度降低的变化幅度相对较小,这归因于超疏水表面缓慢增加的冰成核速率㊂2017年,Emelyanenko 等[53]记录了不同温度下超疏水表面液滴弹跳效率,发现-17ħ㊁湿度为75%时,超疏水橡胶表面的反弹效率达到100%;当温度在-20ħ下,弹跳效率达到70%,主要原因是随着温度的降低接触面积和液滴扩散反冲时间显著增加㊂3.1.2㊀湿度环境湿度对超疏水涂层表面结冰有促进作用且会增大表面冰的附着力,原因是当环境湿度较大,微小液滴在表面凝结成较大液滴,此时液滴压力大于毛细管力,导致表面由原来Cassie-Baxter 状态过渡为Wenzel 状态,这一点被许多文献提及[54,55]㊂图6为湿度对表面液滴浸润状态的影响示意图㊂图6㊀湿度增加促使液滴浸润状态改变Fig.6㊀Increase of humidity causing the change of droplet infiltra-tion state卢津强[56]报道了在相对湿度分别为50%,70%和90%条件下超疏水铜表面的结冰情况,发现环境湿度对超疏水涂层表面边缘的结冰行为几乎没有影响,但随着403㊀第4期陈小东等:超疏水涂层防覆冰技术研究进展环境湿度增大,超疏水铜表面的结冰量逐渐增多,在与普通表面㊁亲水表面的对照实验中,超疏水表面在延迟结冰时间和减少结冰量方面都具有显著优势㊂Yin等[57]关注了在温度为-10~30ħ,湿度为10%,30%,60%及90%时自然荷叶与超疏水涂层表面接触角和滚动角的变化,发现当表面温度接近露点温度且湿度较高(>60%)时,接触角减小㊁滚动角增加,此时表面液滴状态从Cassie-Baxter状态变为Wenzel状态,超疏水表面的浸润性增加,当表面凝结水消失,超疏水性得到恢复㊂Wang 等[33]发现当温度为-10ħ时,相对湿度从10%变化到90%,接触角和滚动角从163ʎ和6ʎ变为138ʎ和20ʎ,这种变化必然与超疏水表面微纳米结构中水的冷凝有关;除此之外,还探究了不同湿度条件下,10μL过冷水滴从5mm高度撞击10ʎ倾斜超疏水表面的动态行为,结果表明随着湿度增加,回弹高度急剧下降,当相对湿度超过95%时,液滴无法在超疏水表面反弹㊂3.1.3㊀液滴撞击速度和风速液滴撞击速度直接影响超疏水表面Cassie状态的稳定性㊁液滴与表面接触后的动力学过程以及传热过程,如果液滴的速度较快,接触超疏水表面时获得的动能大,克服了表面微结构产生的毛细管力,从而穿透微结构中滞留的空气,此时表面浸润性将大大增加[58]㊂同时,撞击速度越快,液滴在表面的扩散系数越大,结冰越迅速[59],而且与底层固体的接触面积增加,传热增强,导致更多非均质冰核形成㊂Han等[60]探究了不同直径的超疏水圆柱体弯曲表面上液滴撞击速度对液滴铺展直径以及液滴与表面接触时间的影响,如图7所示,液滴铺展直径随着液滴撞击速度增大而增大,但液滴与曲面接触时间随之减少㊂Zhu等[61]关注了风场条件下超疏水表面的除冰性能,发现当风速为7m/s时,吹落光滑基体表面冰珠大约需要12s,但吹落经过氟化修饰处理后的超疏水表面的冰珠仅需7s,说明超疏水涂层拥有较强风场除冰能力,该研究有望推动超疏水涂层在实际工程中的应用㊂以上研究成果多数是在实验室特定环境下开展试验获得的,然而在实际工作环境中,温度㊁湿度㊁风速等因素多变,而且积冰形成的方式不同,如雪㊁霜冻㊁冻雨等㊂因此在户外复杂环境中开展超疏水涂层的抗结冰试验应引起重视㊂3.2㊀基底因素超疏水涂层对水的粘附力较低,但是对冰是否具有低粘附力,学者们的观点并不一致,原因在于冰与水粘附机制不同[62]㊂对冰的粘附力是评价超疏水涂层防覆冰性能的重要指标,探究与水浸润性相关的参数(接触角㊁图7㊀水滴以不同速度撞击超疏水圆柱体表面的图像[60] Fig.7㊀Dynamic images of droplet impingement on superhydrophobic cylindrical surface at different velocities[60]滚动角等)如何影响表面对冰的粘附力,将直接影响超疏水/冰涂层的设计㊂3.2.1㊀接触角和滚动角接触角和滚动角是表征超疏水涂层的重要指标㊂关于接触角如何影响表面冰的粘附力,目前的研究结果仍存在争议㊂1997年,Saito等[63]制备了聚四氟乙烯含量为30%~ 90%的超疏水材料,并通过实验发现聚四氟乙烯含量增加使得表面接触角增加㊁表面能降低,而表面能的降低进而导致表面冰的粘附力减小,因此超疏水表面接触角的增加会导致表面冰粘附力的减小㊂同年,该团队发现聚四氟乙烯超疏水材料表面冰的粘附力和由接触角计算得出的表面自由能之间为线性关系[64]㊂2009年,Dotan 等[65]通过离心测力装置测试了亲水㊁疏水㊁超疏水等5种材料表面冰的粘附力,结果显示冰附着力随着接触角的增大而减小㊂在前人基础上,Ozbay等[66]在金属㊁橡胶和聚合物表面进行结冰实验,结果表明表面润湿性和由表面接触角计算得出的表面能之间具有显著的相关性,且二者共同影响表面冰的粘附力㊂随着研究的深入,人们发现冰的粘附力和接触角的相关性并非简单的线性关系㊂研究人员将更多的注意力放到接触角的滞后性对表面冰的粘附力的影响㊂Kulinich 等[67]利用离心装置测量了6种材料表面冰的粘附力,发现粗糙疏水表面冰的粘附力与表面接触角无关,而与接触角滞后密切相关㊂Meuler等[68]制备了21种不同润湿性的涂层,发现冰的粘附力和后退接触角具有很强的相关性,因此可以通过测量表面后退接触角对表面的憎冰503中国材料进展第43卷性进行预测㊂与前人得出的结论不同,Wu 等[29]制备了37种不同表面形貌的超疏水涂层,发现冰的粘附强度与表面接触角㊁接触角滞后不存在简单的相关性,不能直接作为防冰超疏水涂层的结构设计参数,而应结合表面浸润性以及结冰过程中传热传质特性㊂3.2.2㊀浸润性关于超疏水表面浸润性的研究表明,超疏水表面并不一定具有降低冰粘附力的作用,这一点与超疏水表面的理论研究所推断的结果大相径庭㊂2010年,Varanasi 等[69]通过光刻工艺获得一系列疏水硅柱,然后喷涂低表面能物质获得超疏水表面㊂利用扫描电镜记录了霜在超疏水表面的形成过程,如图8所示㊂图片显示霜在超疏水表面形成时,基底的部分微观结构已经被水浸润且逐渐形成霜晶,这将对超疏水表面后续防覆冰性能产生影响㊂图8㊀霜在超疏水表面微观结构中逐渐形成[69]Fig.8㊀Gradually formed frost in the microstructure of superhydrophobic surface [69]㊀㊀2011年,Kulinich 等[47]分别利用浸涂㊁旋涂㊁喷涂方法制备了3种不同浸润性的涂层,并测量了3种涂层表面冰的粘附力,结果显示浸涂法制备的涂层表面冰的粘附力最小,且在结冰除冰实验中,该涂层也展现出了更加优异的机械稳定性㊂2012年,Chen 等[70]探究了表面形貌和表面化学性质对冰粘附强度的影响,结果显示粗糙表面冰的粘附强度高于光滑表面,原因是冰与超疏水表面的粗糙结构形成机械联锁㊂与其结论相反,2014年Bharathidasan 等[71]的研究成果表明,亲水涂层表面冰的粘附力高于疏水涂层,并将疏水表面冰的低粘附力归因于低表面能物质㊂除了影响表面冰的粘附力,一些学者关注了浸润性对表面液滴冻结过程的影响㊂Liu [72]等研究了表面润湿性对液滴撞击曲面后动态特性的影响,结果表明,当曲率比一定时,较差的表面润湿性会阻碍液滴的扩散,但会促进液滴的收缩和回弹㊂张青等[73]在导线表面制备了超憎水涂层,探究表面浸润性对导线表面覆冰的影响㊂实验结果表明,超憎水性涂层不利于过冷水滴在导线上粘附和冻结,可以显著抑制和缓解铝导线表面覆冰的形成和增长㊂Liao 等[74]发现与普通表面相比,超疏水涂层可以有效延迟表面液滴结冰,原因在于超疏水涂层粗糙结构中的空气起到隔离和热障作用,另外由于液滴自迁移现象,部分液滴会在结冰之前滚落下来,减少了结冰概率㊂图9所示为裸铝表面和超疏水铝表面结冰情况㊂3.2.3㊀粗糙度表面粗糙度是冰粘附力的一个重要影响因素,增加粗糙度,可以提高界面拉普拉斯力,阻碍液滴从Cassie 状态向Wenzel 状态转变㊂Satio 等[64]探究了表面粗糙度对疏水表面和亲水表面冰粘附力的影响,发现这2种材料呈现出截然相反的结果㊂对于疏水表面,表面粗糙度的增加导致表面冰粘附力的减小,而对于亲水表面,表面粗糙度的增加导致表面冰粘附力的增加㊂与其结论不同,Tarquini 等[75]开展了直升机桨叶表面超疏水涂层的脱冰性能研究,发现冰粘附力随表面粗糙度增加而增加,认为冰和固体表面之间的有效接触面积增加导致脱冰所需的力增加㊂603㊀第4期陈小东等:超疏水涂层防覆冰技术研究进展图9㊀裸铝和超疏水铝表面上形成釉冰的情况[74]Fig.9㊀Glaze ice on the surfaces of bare aluminum and superhydrophobic aluminum [74]㊀㊀粗糙度除了影响表面冰附着力,还会影响表面的结霜行为㊂张友法等[76]对比研究了单级纳米结构和二级复合结构对表面除冰㊁融冰的影响,如图10所示㊂结果表明微纳米复合结构在防覆冰性能方面并不逊色于单级纳米结构,关键在于经过多次结冰融冰试验后,微纳米复合结构表面的防霜抗冰性能仍得到保持㊂3.2.4㊀机械鲁棒性微纳米结构的机械强度弱是目前超疏水涂层面临的最大问题,因此设计出坚固耐用的超疏水涂层成为近几年学者们的研究重点㊂Groten 等[77]通过实验论证了微纳米复合结构在构建机械性能稳定的超疏水表面中的重要性,尤其当涂层抵抗外界较大剪切应力时,微米结构更是起到决定性作用㊂在Balordi 等[78]的研究中,这一点同样被证明㊂Kondrash-ov 等[79]通过刻蚀工艺制备了微骨和纳米草复合结构表面,经过氟化处理获得超疏水表面,该表面显示出极大的机械耐久性,尤其是抗剪切性㊂Zhang 等[80]通过刻蚀法和喷涂法制备了机械稳定性强的铝合金超疏水涂层,图11所示为涂层抗磨损示意图㊂该涂层能够抵抗循环水喷射㊁砂粒冲击和砂粒剪切磨损以及手指摩擦,图12所图10㊀可控阵列微纳复合结构表面结冰及结霜情况对比[76]:(a)条纹阵列结构,(b)方柱阵列结构,(c)四棱锥阵列结构,M代表微结构表面,S 代表光滑表面,N 代表纳米草 ,MN 代表具有微结构和纳米草的表面Fig.10㊀Comparison of icing and frosting on the surfaces of controllable array micro-nano composite structure [76]:(a)striped array struc-ture,(b)square column array structure,(c)quadrangular prism array structure;M represents microstructured surface,S is smooth surface,N is nanograss,MN represents the surface with microstructure and nanograss703。

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]。

超疏水材料的研究进展

第36卷第12期高分子材料科学与工程V o l .36,N o .122020年12月P O L YM E R MA T E R I A L SS C I E N C E A N DE N G I N E E R I N GD e c .2020超疏水材料的研究进展李国滨1,2,刘海峰3,李金辉1,2,曾晖1,2,李瑞1,2,黎根盛1,2,靳计灿1,2(1.中山大学化学工程与技术学院,广东珠海519000;2.中山大学广东新材料产业基地联合研究中心,广东佛山528000;3.华南农业大学材料与能源学院,广东广州510000)摘要:近年来,油水分离技术越来越受到人们的重视,而具有特殊润湿性的油水分离材料成为研究热点㊂文中综述了超疏水材料在油水分离领域的研究进展㊂简单地介绍了构建超疏水材料的基本原理,归纳总结了超疏水材料的制备方法如水热法㊁刻蚀法㊁静电纺丝技术㊁自组装技术㊁溶胶-凝胶法和沉积法等方法,并且讨论了不同方法的优缺点及前景,为今后超疏水材料的发展提供理论建议㊂关键词:油水分离;超疏水性;制备中图分类号:T B 34 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2020)12-0142-09d o i :10.16865/j.c n k i .1000-7555.2020.0282收稿日期:2019-11-07基金项目:中山大学广东新材料产业基地联合研究中心项目(20177611071010007,20177611071010008);中山大学本科教学改革研究项目(76110-31911131)通讯联系人:曾晖,主要从事功能性界面材料涂层制备的研究,E -m a i l :z e n g h u i 5@m a i l .s ys u .e d u .c n 生活㊁工业含油废水的排放以及海上泄油事故的频发,导致油污染问题日趋严重,从而造成严重的经济损失,并对生态环境带来极大的损害[1~4]㊂同时,油及油类制品中的含水问题,也带来了一定的应用难题如机械零部件寿命减短㊂油在水中的存在方式主要有4种形态:游离油㊁分散油㊁乳化油及溶解油㊂其中溶解油最难处理,乳化油其次[5]㊂但因溶解油占比几乎可忽略,因此溶解油的分离研究较少㊂目前处理含油污水的传统方式主要有重力㊁浮选㊁化学分散㊁絮凝等方法[6~8],但是这些传统的方法存在一些难于解决的问题如分离效率低下,分离的油不能满足二次使用,只能焚烧处理,造成资源浪费和处理困难㊂另外上述方法中还存在使用大量化学试剂造成二次污染以及设备造价过高难于大规模应用等问题㊂因此,如何使油水分离更加高效㊁便捷和绿色已成为当下重要的研究方向㊂这就要求我们要使用更加先进的方法和材料来实现这一目的㊂研究发现超疏水材料具有优异的油水分离能力,而且膜分离具有高效㊁节能㊁便捷等优点[9],通过运用不同的方法如水热法㊁溶胶凝胶法㊁静电纺丝技术㊁蚀刻法㊁自组装技术等方法可制备出性能更加优越㊁功能更加齐全的超疏水膜分离材料㊂本文在前人的研究基础上,对润湿理论及近些年来超疏水材料的研究成果及进展进行了综述与展望㊂1 超疏水材料的制备及相关润湿理论超疏水材料是指水的接触角超过150ʎ,滞后角低于10ʎ的表面材料㊂超疏水现象可用表面润湿理论进行解释,表面润湿理论主要有Y o u n g [10]方程㊁W e n z e l [11]模型㊁C a s s i e -B a x t e r [12]模型以及滚动角等㊂Y o u n g 方程是一种理想的模型,而W e n z e l 模型和C a s s i e -B a x t e r 模型是Y o u n g 方程的后续完善,主要阐述了表面结构对表面润湿行为的影响㊂滚动角则反映接触角的滞后现象,与前进角和后退角的差值相等㊂另外,研究表明W e n z e l 模型与C a s s i e -B a x t e r 模型可能同时存在,也可以在动态过程中相互转换[13]㊂超疏水材料制备的关键在于表面的化学组成和几何微观结构㊂当固体表面张力低于液体且表面较为粗糙时,材料表面往往表现为憎液[14]㊂因此要获得超憎液表面,一般有2种方法:一是在低能材料表面上构建粗糙结构;二是在粗糙材料表面接枝低表面能基团㊂另外在常见液体中,水的表面张力约72m N /m ,而油的表面张力远小于水(如正十六烷的表面张力为27.5m N /m ),所以超疏水/超亲油表面是能够构造的㊂近年来受到荷叶和水渑等自然表面的启发,研究者们运用了不同的方法在不同的材料表面实现了超疏水/超亲油性㊂如2004年,F e n g 等[15]利用喷雾干燥法将P T F E 的乳液喷涂到洁净的不锈钢网膜上,制备出了一种具有超疏水/超亲油性的不锈钢网膜㊂如F i g.1所示,球形和块状堆叠的粗糙表面微观结构,极大地增强了表面超疏水性能㊂当将水滴放置在不锈钢网膜上时,水滴近似球形,水滴接触角达到156.2ʎʃ2.8ʎ,滚动角仅为4ʎ;油滴滴在网膜上仅240m s 就完全渗透,这说明不锈钢网膜同时具备超疏水性和超亲油性㊂这种特性赋予了不锈钢网膜的油水分离的能力㊂F i g .1 S E Mi m a g e s o fP T F E -c o a t e d s t a i n l e s s s t e e lm e s h s u r f a c e a n d o i l -w a t e r s e pa r a t i o n [14]随着超疏水/超亲油材料成功应用于油水分离领域,人们发现这类材料固有的亲油性质会导致膜孔道堵塞,而且这类材料还存在重复使用性差,寿命短,力学性能较差等问题㊂所以研究者们致力于使用不同的方法如水热法[16,17]㊁溶胶凝胶法[18~20]㊁刻蚀法[21~23]㊁静电纺丝法[24,25]㊁涂覆法[26~32]㊁自组装技术[33~35]㊁沉积法[36~38]等其他方法[39~43]研究出稳定性更好㊁具备多功能化(破乳等)的超疏水/超亲油膜材料㊂F i g .2 F E S E Mi m a ge s of P S F /F E Pm i x e dm a t r i xm e m b r a n e [16]1.1 水热法水热法又称高压溶液法,是指利用高温㊁高压水溶液使得通常难于溶解或者不溶的物质溶解和重结晶,从而构建多级粗糙表面的方法㊂水热法制备的功能纳米材料具有容易得到取向性好且完整的晶体㊁实现均匀的掺杂㊁明显的降低反应温度,而且比较容易控制等优势㊂H u a n g 等[16]利用一锅水热法获得了均匀分布的类花状T i O 2颗粒修饰的棉织物,经过氟烷基硅烷的改性,制备了具有鲁棒性的超疏水织物(T i O 2@f a b -r i c s )㊂水滴在T i O 2@f a b r i c s 表面可以保持160ʎ的静态接触角,滚动角小于10ʎ,说明该材料具有很好的超疏水性能㊂另外T i O 2@f a b r i c s 抗紫外线性能优异㊂J i 等[17]采用非溶剂诱导相分离法(N I P S)成功制备了341 第12期李国滨等:超疏水材料的研究进展具有超疏水表面的聚砜(P S F)/氟化乙丙烯(F E P)混合基质膜(MMM S)㊂如F i g.2所示,制备的材料表面呈现出许多乳突结构㊂另外材料的拉伸强度高,适用于煤油和柴油的油包水乳液的油水分离,经过10次循环后油水分离效率仍能保持在99.79%和99.47%㊂水热法制备纳米材料的优势使得其广受研究者青睐,但是水热法的反应环境是在高温高压条件下,所以对设备要求高,安全性稍差㊂另外也无法大型工业化生产,其能耗相对较高㊂1.2溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是指通过前驱体在液相条件下,进行水解㊁缩合反应,形成透明溶胶,在逐渐凝胶化及经过后续处理得到相应物相的方法㊂溶胶-凝胶法制备超疏水材料过程中具有反应过程易于控制,易于操作;制备的样品均匀性高;另外也可以通过改变工艺参数或者过程来获得不一样的材料㊂H u i等[18]在碱性条件下,运用溶胶-凝胶法以有机硅丙烯酸共聚物(S A S)和硅溶胶为原料,进行原位生长硅溶胶颗粒,然后通过简单喷涂制备了具有超疏水性能的复合涂层㊂该涂层对基底展现出普遍的适应性㊂涂层耐酸碱㊁耐有机溶剂㊁耐紫外老化和耐高温性能好,能够承受至少200次的磨损㊂当所制备的材料应用油水分离时,分离效率在99%以上,并且可重复多次工作㊂Y u a n等[19]以剑麻纤维素为主要原料,利用溶胶-凝胶法获得了纤维素@S i O2气凝胶,炭化形成B C S气凝胶,然后原位组装M n O2纳米片,制备出可压缩㊁多功能的H B C S M气凝胶㊂该材料展现出优异的超疏水性能,水的接触角可达155ʎ,然而在强酸碱条件下不具备超疏水性能㊂H B C S M气凝胶弹性好,可极大地提高回收率,另外油水分离能力强,可实现120.4g/g的吸附量㊂M a l e k i等[20]采用一锅两步酸碱溶胶-凝胶法,以5-(三甲氧基硅基)戊酸(T M S P A)㊁蚕丝蛋白(S F)和聚甲基半硅烷(P M S Q)为原料,制备出轻质可压缩㊁具有分级结构的介大孔的超疏水/超亲油的P M S Q-S FI P N混合气凝胶㊂通过对比2种总硅摩尔量[S i]3.5和[S i]17.5的混合气凝胶体系发现不同S F的含量(15%和40%)都能承受压缩变形80%㊂T M S P A 加入量的增加,结构孔隙将增大,粗糙度增加㊂[S i]3.5形成分级纳米微观三维结构,而[S i]17.5形成的是球状细集的三维开孔结构,因此[S i]3.5比[S i]17.5的混合气凝胶的弹性㊁压缩性和耐久性更好㊂另外,混合气凝胶表现出优异的热稳定性,在350ħ以下能维持稳定㊁具备优良的阻燃和自动灭火功能㊂混合气凝胶展现出优异的对油水及有机污染物的吸收能力(植物油㊁甲苯㊁D M F㊁甲烷㊁丙酮等),其吸收可达到自身质量500%~2644%㊂虽然溶胶凝胶法在制备超疏水材料方面具有低成本㊁易于操作㊁条件温和等优点,但是该方法周期较长,同时所使用的原料多数为有机化合物,对健康有害,制备的产品相对易于开裂㊂1.3刻蚀法刻蚀法是指通过物理或者化学的方式在基材表面形成微纳米结构的方法,包括激光刻蚀㊁化学刻蚀㊁等离子刻蚀,光刻蚀等方式㊂刻蚀法可以在表面进行精准地操作和设计,但是成本较高,经济性较差㊂R e n等[21]通过F e C l3溶液㊁H C l和H2O2溶液两步蚀刻在金属橡胶(M R)表面形成莲花状的微纳米结构,再经过P F D S的修饰,得到水接触角为152ʎ㊁滚动角小于5ʎ的超疏水表面,在油水分离领域具有潜在的应用㊂Y a n g等[22]采用飞秒激光技术在聚四氟乙烯(P T F E)片材表面构建了一层复合纳米粗糙结构,结合机械钻削工艺在膜上生成微通孔阵列结构,制备出具有超疏水性的P T F E膜㊂考察了微孔阵列周期的影响,发现由于微孔密度的减小,油通量随周期而减小,入侵压力变化不明显㊂如F i g.3所示, P T F E膜展现了优异的抗酸碱等腐蚀环境的能力,这种化学稳定性的超疏水性使该油水分离材料具有很好的实际应用前景㊂Z h a等[23]利用飞秒激光烧蚀F-C N F/P V D F纳米复合材料和F-C N F/P S纳米复合材料,成功获得了具有稳定超疏水性能的复合材料㊂C-F键在氟化纳米碳纤维㊁P V D和P S中具有的共价性质,保证了纳米复合材料的化学稳定性;激光烧蚀主要是增加复合材料的表面粗糙度从而增加材料表面疏水性能㊂1.4静电纺丝法静电纺丝法是指在外加电场下聚合物溶液或者熔体通过喷射最终固化形成纤维的方法㊂它一般适用于高分子材料㊂静电纺丝法制备的纤维既具有较大的比表面积,同时纤维上还具有小孔特殊结构,即孔隙率高㊂通过静电纺丝技术制备的超疏水膜材料具有过滤效率高㊁压降低等特点㊂L i u等[24]通过冷冻静电纺丝和冻干煅烧法获得了表面具有多孔的二氧化硅/纳米纤维膜,经过六甲基二硅氮烷改性,制备出了多孔的超疏水/超亲油性441高分子材料科学与工程2020年的二氧化硅/纳米纤维膜㊂对比了聚苯乙烯(P S )和莰烯含量的影响,发现P S 浓度较低时,纺丝易断,气孔不明显;P S 浓度过高,导致结构疏松易断,另外随着纺丝浓度的增加,膜面积先增大后减小㊂同时,随莰烯浓度的增加,膜的孔数也随之增加,但是增加到2m L 时,形成的气孔过大,导致膜煅烧后断裂不连续㊂相较于传统的膜,多孔的纳米纤维膜固持力更小,超疏水性能更佳㊂当应用于油水分离时,吸附能力高达43.7g /g ,多次工作后仍能达到34g /g㊂F i g .3 D u r a b i l i t y o f f e m t o s e c o n d l a s e r i n d u c e dP T F Es u p e r h y d r o ph o b i c s u r f a c e [22]M a 等[25]利用静电纺丝法以聚酰胺酸(P A A )和醋酸纤维素(C A )为原料,获得了具有核鞘结构的P I /C A 纳米纤维膜,然后通过重氟苯并恶嗪(B A F -b t f a )和纳米二氧化硅(S N P s )表面改性,制备出具有超疏水/超亲油性的P I /C A /F -P B /S N P 高柔性纤维膜㊂膜的临界拉伸应力高达130M P a ㊁临界拉伸应变为52%,说明了膜具有很好的柔性㊂另外发现当B A F -b t f a ,S N P s 的质量分数分别为1%,4%时,膜的超疏水/超亲油性最佳,水的接触角为162ʎ㊁油的接触角接近于0ʎ,且渗透通量高达(3106.2ʃ100)L /(m 2㊃h )㊂该膜的耐酸碱㊁耐高温性能好㊂膜具有高效分离油水的能力,分离效率在99%以上㊂1.5 涂覆法涂覆法是一种简单快速获得不同形貌表面的方式,包括喷涂法㊁浸涂法,涂刷法和电泳涂装法㊂喷涂法是利用喷枪将含有活性颗粒喷成雾状,在基材表面沉积形成粗糙结构;浸涂法是将基材浸泡在活性溶液中,沉积附着形成涂装表面;涂刷法是将涂料直接涂覆在表面;电泳涂装法适合于水性涂料㊂D e n g 等[26]提出一种将工业胶黏剂与月桂酸改性的氢氧化铜颗粒制备超疏水水性涂层的方法,并且成功应用在不同基材上如铜网㊁海绵等㊂当水滴放置在涂层上,接触角可达160.3ʎ㊁滑动角小于10ʎ㊂以该材料作为分离膜的油水分离装置实现了对多种油水混合物的高效分离㊂另外该涂层具有一定的抗盐㊁抗酸碱㊁抗紫外和自清洁性能㊂L i u 等[27]利用全水基喷涂法制备了具有强鲁棒性的超疏水性的表面㊂首先将磷酸铝㊁纳米Z n O 颗粒㊁聚四氟乙烯(P T F E )和去离子水按照一定比例混合,得到混合溶液,然后将其喷涂到基板上(陶瓷㊁不锈钢等),最后再进行高温干燥交联固化㊂制备出的超疏水表面在强紫外线下照射12h ,水的接触角仍然大于150ʎ;p H 为1~13时,水的接触角基本保持在150ʎ以上,说明该材料具有良好的耐紫外老化㊁耐酸碱性能㊂基于该材料,他们实现541 第12期李国滨等:超疏水材料的研究进展了多种油水混合物的高效分离㊂L i等[28]利用喷涂法将硅藻土粉末㊁三甲氧基硅烷㊁水性聚氨酯(P U)和乙醇混合的悬浮液喷涂到不锈钢网上,制备出具有耐腐蚀㊁低黏附㊁超疏水性的不锈钢网膜㊂这种耐腐蚀性能主要归于超疏水涂层与多孔中空气的协同作用的结果㊂水滴在制备的粗糙表面能够保持152ʎʃ2ʎ的静态接触角,滑动角为8ʎʃ2ʎ㊂所制备的不锈钢网能够高效分离水与多种油(煤油㊁柴油㊁正己烷㊁庚烷等)的混合液,可重复多次工作㊂L i等[29]通过喷涂法将石蜡蜡烛烟灰(C S)㊁纳米二氧化硅(S i O2)负载在不锈钢网上,制备出具有耐热水㊁耐腐蚀㊁超疏水性的不锈钢网膜㊂水滴在不锈钢网表面的接触角为160ʎʃ1ʎ,滚动角为5ʎʃ1ʎ,而油滴在材料表面快速铺展,接触角为0ʎ,说明材料具有良好的超疏水/超亲油性㊂另外材料可耐受15~93ħ热水㊂如F i g.4(a)所示,发现随着孔隙的增大,水的接触角略微下降,而滑动角呈现相反的趋势㊂基于该不锈钢网制备的油水分离装置,实现了多种油水混合物的高效分离㊂G a o等[30]利用电喷雾法制备出表面具有微纳米复合微球的超疏水聚偏氟乙烯(P V D F)/二氧化硅(S i O2)复合材料涂层㊂考察了P V D F和S i O2含量的影响,发现P V D F占6%~12%㊁S i O2含量在4%~8%时,超疏水性能最好,水的接触角可达162ʎ,滚动角小于1ʎ㊂所制备的膜能够高效地分离二氯甲烷混合油水,可重复工作多次㊂同时,该涂层具有很好的抗腐蚀能力㊂W a n g等[31]利用单宁酸(T A)-氨基丙基三乙基硅烷(A P T E S)涂料涂覆在多种基底材料表面如铜网㊁P T F E等,经过O D S改性,制备出具有超疏水性的材料如铜网片-(T A-A P T E S)-O D S㊂当将所制备的材料应用于油水分离时,分离效率高达99%以上,并且可重复多次工作㊂H s i e h等[32]采用自旋涂覆法将全氟烷基甲基丙烯酸共聚物改性的C N T s负载在碳纤维(C F)上,制备出具有双层粗糙纳米/亚微米结构的超疏水性的C N T-C F膜㊂如F i g.4(b)所示,同一厚度下,C N T-C F膜比C F膜油水分离效率更高,最高可达99.7%㊂另外C N T-C F膜的超疏水性随着厚度的增加而减小的趋势更小㊂F i g.4(a)E f f e c t o f s t a i n l e s s s t e e lm e s ha p e r t u r e o nw a t e r c o n t a c t a n g l e(W C A)a n ds l i d i n g a n g l e(S A)[28];(b)v a r i a t i o no f o i l-w a t e r s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y w i t hC Fm e m b r a n e t h i c k n e s s[32]1.6自组装技术自组装技术是模仿自然环境分子自组装形成特地结构的颗粒,以分子水平构建功能材料表面的方法㊂具有粒径可控,分散性好,操作简便等优点,但是对条件控制要求严格㊂C h e n等[33]采用自组装法在无机纸上获得了自粗化超细羟基磷灰石纳米线(H A P NW S),经过油酸钠改性,得到具有层状结构的超疏水性的无机纸㊂当油酸钠改性时间为2h时,达到最大静态接触角154.55ʎʃ0.66ʎ㊂该材料具备一定的油水分离能力,但是不耐受高温㊂H a n等[34]以无氟苯并恶嗪为主要原料,采用金属离子诱导分子自组装和外延生长法制备出具有超疏水/超亲油性的金属-聚苯并恶嗪微纳米球(M-P B Z s)㊂M-P B Z s展现出良好的抗污㊁易清洁的特性㊂以该材料组装的油水分离装置,实现了对多种油水乳液的高效分离,并且可重复多次工作㊂W a n g等[35]采用共价逐层组装法,制备出具有超疏水性的双层泡沫铜纳米膜㊂首先用K O H-K2S2O8化学改性,使表面形成花瓣状突起结构,再通过加热三氮二硫硅烷化合物(T E S P A)自组装形成单层膜,然后用全氟癸基三氯硅烷(P F D T C S)降低其表面能,使得膜具有超疏641高分子材料科学与工程2020年水/超亲油性㊂这是首次将一种具有抗铜腐蚀及又作为活化界面的多功能聚合物纳米膜引入铜表面㊂该材料具有很好的化学稳定性和耐久性,另外发现-S S-基团和C u(I)S可以提高双层纳米膜的化学稳定性及耐久性;S i-O-S i键网络增强了双层纳米膜的重用性和分离效率㊂基于泡沫铜网膜,实现了油水混合物的高效分离,并且可重复使用㊂1.7沉积法沉积法是一种低成本,简便有效地制备多级微纳米粗糙结构的方法,包括化学沉积法和电化学沉积法㊂化学沉积法是指基材在活性组分氛围中其表面发生化学反应,从而形成多级微纳米结构或改性表面;电化学沉积法是指采用阴极还原和阳极氧化的方式,在表面沉积形成微纳米结构㊂B u等[36]用单宁酸(T A)改性三聚氰胺甲醛海绵(M F)或者织物,之后在表面沉积纳米银颗粒,接着使用1H,1H,2H,2H-全氟葵硫醇降低表面能,赋予该材料超疏水性㊂所制备的超疏水性的海绵实现了对油水混合物和有机污染物(橄榄油㊁环己烷和甲醇等)自身质量66~150倍的吸附,同时超疏水性的织物也实现了对油水废弃物大于95%的分离效率㊂L i n等[37]将商用纳米碳纤维(C N F s)和聚二甲基硅氧烷(PD M S)嵌入不锈钢网(S S M),制备出具有抗生物㊁化学侵蚀及力学稳定性的超疏水/超亲油性的S S M/C N T S-P D M S㊂基于该材料,实现了对水/甲苯乳液的分离,并且在不含表面活性剂时,表现出高通量(2970L/(m2㊃h))分离;然而在含有表面活性剂时,由于表面活性剂引起的黏度差,导致分离通量较低㊂另外该材料在磨损后仍具备油水分离能力,且只需经过再次涂覆P D M S即可恢复性能㊂W a n g等[38]利用可控电沉积法和化学改性的方法获得了具有超疏水/超亲油性的三维多孔泡沫铜(S O C F)㊂这是首次应用了孔径大于乳化液滴的三维多孔材料来分离乳化油水混合物㊂以此材料制备的油水分离装置,能实现对多种油水乳液的高效分离,而且具有高油通量㊂S O C F的破乳现象主要归于材料本身超亲油性和笼状结构的促进及自升效应的协同作用㊂考察了电沉积时间对该材料的影响,发现随着电沉积时间延长,力学强度迅速增加㊁孔径呈线性减小㊁油通量也逐渐减小㊁水的浸入压力增大㊂另外S O C F展现出惊人的耐磨性能㊂利用沉积法制备超疏水材料是有效的,但是仍然存在一些问题,比如制备过程较为复杂,不利于工业化生产,制品的稳定性稍差等㊂1.8其它方法W a n g等[39]以聚氨酯为骨架,将其浸入含有多巴胺㊁粉煤灰(F A)和十二烷基硫醇(D T)的碱性水/乙醇溶液中,浸泡后取出干燥㊂聚氨酯表面附着了P D A/F A涂层,从而制备出超疏水/超亲油性的泡沫㊂P D A/F A涂层的微纳米结构和聚氨酯的微孔结构的协同作用,极大地提高了疏水性㊂F A的引入赋予了泡沫优异的阻燃性能,另外当F A质量分数为0.2%时,水的接触角达到最大,且油水分离效率最高㊂基于此材料,实现了对多种水包油乳液如正己烷㊁汽油㊁柴油等的有效分离㊂H a n等[40]在铜网或者海绵(M F)上热诱导聚多巴胺(P d o p)颗粒的形成,经过十八胺(O D A)改性,获得了具有超疏水/超亲油性的C u/h-P d o p/O D A及M F/h-P d o p/O D A㊂考察了热处理温度及时间的影响,发现热处理温度为120ħ㊁热处理时间为12h时,材料表面覆盖的P d o p最为稳定㊁均匀㊁致密,同时还发现O D A晶体形貌,受O D A及P d o p协同作用的影响,材料表面覆盖P d o p 颗粒越均匀,越有利于形成具有层次性的O D A晶体形貌㊂所制备的铜网能够高效分离油水混合物,海绵吸附性能好㊂但是对于涂层来讲,耐酸碱㊁耐盐较差,虽然大多能维持水的接触角在140ʎ以上㊂C h e n等[41]以棉织物为基底,多巴胺为原料,高碘酸钠为氧化剂,十八硫醇为改性剂获得了具有超疏水性的棉织物㊂所制备的超疏水棉织物成功地实现1,2-二氯乙烷/水的分离㊂此外,即使经过长时间紫外线照射和90ħ热水的浸泡,该材料仍然保持了原有的特殊润湿性㊂这种光照和耐热水的稳定性可以使所制备的材料工作在暴晒或者热水环境中㊂C h e n g等[42]通过滴铸表面聚乙烯溶液改性,获得了超疏水性的涂层材料,可应用于不同基底材料如铜网㊁聚氨酯等㊂HD P E涂层展现出良好的热磨损性能和化学稳定性,这归于H D P E涂层随机分布的块状片状结构㊂基于该材料,实现了多种油水混合物的高效分离㊂L i u等[43]运用一种集粗糙形貌构建和化学修饰一体化的方法,制备出具有抗大雨冲击的超疏水/超亲油性的P D M S膜㊂水滴在膜表面的接触高达170ʎʃ0.5ʎ,滚动角接近0ʎ;而油滴在膜表面快速铺展,说明膜具有很好的超疏水/超亲油性㊂该材料具有优异的热稳定性,但是不耐受酸碱侵蚀㊂另外P D M S膜磨损后可经过二次化学改性即可恢复性能㊂通过以上各种方法如水热法㊁溶胶凝胶法㊁刻蚀741第12期李国滨等:超疏水材料的研究进展法㊁静电纺丝法㊁涂覆法㊁自组装技术㊁沉积法等其他方法在不同材料上(如具有可降解的蚕丝蛋白㊁聚多巴胺㊁单宁酸㊁化纤物质㊁矿物颗粒等)制备的超疏水/超亲油性的材料,可实现油包水乳浊液或者重油/水的分离,而且现今所制备的超疏水/超亲油性的材料在环境稳定性和化学稳定性上得到了很大的改善㊂但是无法很有效地分离轻油/水以及水包油乳浊液,同时也存在着一些问题比如目前许多方法在操作上比较复杂,成本相对较高,无法实现大规模的生产㊂2结语基于不同材料㊁不同方法构建超疏水膜分离材料可以实现油包水乳液及重油/水的分离,并且所构建的材料的稳定性及重复利用率得到很大的提高,同时材料的功能也朝着多元化发展㊂但是构建的材料大多数较为复杂,难于在工业上运用㊂目前制备超疏水膜分离材料的方法多种多样,而且每种方法都有其各自特性㊂采用水热法㊁刻蚀法㊁自组装技术等来处理金属或非金属材料都能得到理想的微米结构,并且水热法㊁刻蚀法等能够直接处理表面且不经过修饰,即可获得超疏水材料㊂但是水热法对设备要求高,且安全性较差;刻蚀法成本高,不易大规模制备,自组装技术对条件要求苛刻㊂静电纺丝技术适用于制备超润湿薄膜,此类方法优点在于无需多步操作,制备的纺丝具有高比表面积㊁高孔隙率等性能㊂另外可调控纤维直径来提高分离效率㊂但是静电纺丝技术制备的纺丝强度相对较弱,且较难分离纤维长丝与短纤维㊂溶胶-凝胶法制备流程简单㊁可实现工艺的改参或者变更,实现生产不同的制品,但是它具有周期长㊁制品容易开裂等问题㊂涂覆法具有简便㊁灵活等特点,并且其中喷涂法喷涂的涂层均匀性好,黏附强度高,利于机械化生产和工业化,但是涂覆法制备的涂层存在容易产生流挂㊁涂层干燥时收缩并且可能开裂㊂综合来讲,目前多种方式制备的超疏水膜材料大多处于实验室阶段,所处的实验环境离实际应用相差甚远,应用在工业上的少,所以如何以简便有效的方式制备出高效稳定的超疏水膜分离材料仍是未来发展的重点方向㊂参考文献:[1] D a l t o nT,J i nD.E x t e n t a n d f r e q u e n c y o f v e s s e l o i l s p i l l s i nU Sm a r i n e p r o t e c t e d a r e a s[J].M a r i n e P o l l u t i o nB u l l e t i n,2010,60: 1939-1945.[2] J a d h a vSR,V e m u l aP K,K u m a rR,e t a l.S u g a r-d e r i v e d p h a s e-s e l e c t i v em o l e c u l a r g e l a t o r sa s m o d e ls o l i d i f i e r sf o ro i ls p i l l s[J].A n g e w a n d t eC h e m i e,2010,122:7861-7864.[3] H a s s l e rB.A c c i d e n t a l v e r s u s o p e r a t i o n a l o i l s p i l l s f r o ms h i p p i n gi n t h e b a l t i c s e a:r i s k g o v e r n a n c e a n dm a n a g e m e n t s t r a t e g i e s[J].AM B I O,2011,40:170-178.[4]刘山虎,许庆峰,邢瑞敏,等.超疏水油水分离材料研究进展[J].化学研究,2015,26(6):561-569,574.L i uS H,X u Q F,X i n g R M,e ta l.R e s e a r c h p r o g r e s so f s u p e r h y d r o p h o b i c m a t e r i a l s f o r o i l-w a t e r s e p a r a t i o n[J].C h e m i c a lR e s e a r c h,2015,26(6):561-569,574.[5]杨继斌,王会才,孙强,等.基于超润湿材料的乳液油水分离研究进展[J].高分子材料科学与工程,2018,34(4):165-171.Y a n g JB,W a n g H C,S u n Q,e ta l.P r o g r e s so fo i l-w a t e re m u l s i o n s e p a r a t i o n b a s e d o n s u p e r w e t t i n g m a t e r i a l s[J].P o l y m e rM a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g,2018,34(4):165-171.[6] N o r d v i kAB,S i mm o n s JL,B i t t i n g K R,e t a l.O i l a n dw a t e rs e p a r a t i o ni n m a r i n e o i ls p i l lc l e a n-u p o p e r a t i o n s[J].S p i l l S c i e n c e&T e c h n o l o g y B u l l e t i n,1996,3:107-122. [7] G a a s e i d n e sK,T u r b e v i l l eJ.S e p a r a t i o no fo i l a n d w a t e r i no i ls p i l lr e c o v e r y o p e r a t i o n s[J].P u r e a n d A p p l i e d C h e m i s t r y, 1999,71:95-101.[8] W a n g B,L i a n g W,G u oZ,e ta l.B i o m i m e t i cs u p e r-l y o p h o b i ca n d s u p e r-l y o p h i l i cm a t e r i a l s a p p l i e d f o r o i l/w a t e r s e p a r a t i o n:an e w s t r a t e g y b e y o n d n a t u r e[J].C h e m i c a lS o c i e t y R e v i e w s, 2015,44:336-361.[9]朱华星,张贤明,韩超,等.过滤与分离技术在废油中的应用研究[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2016,33(1):97-101.Z h uH X,Z h a n g X M,H a nC,e ta l.A p p l i c a t i o no f f i l t r a t i o na n d s e p a r a t i o n t e c h n o l o g i e s t o w a s t e o i l[J].J o u r n a l o fC h o n g q i n g T e c h n o l o g y a n dB u s i n e s s(N a t u r a l S c i e n c e sE d i t i o n),2016,33(1):97-101.[10] Y o u n g T.A n e s s a y o n t h e c o h e s i o no f f l u i d s[C]//A b s t r a c t s o ft h e P a p e r s P r i n t e di n t h e P h i l o s o p h i c a l T r a n s a c t i o n s o ft h eR o y a l S o c i e t y o fL o n d o n.L o n d o n:t h eR o y a lS o c i e t y,1832: 171-172.[11] W e n z e lR N.R e s i s t a n c eo f s o l i ds u r f a c e s t ow e t t i n g b y w a t e r[J].I n d u s t r i a l&E n g i n e e r i n g C h e m i s t r y,1936,28:988-994.[12] C a s s i eABD,B a x t e r S.W e t t a b i l i t y o f p o r o u s s u r f a c e s[J].T r a n s a c t i o n s o f t h eF a r a d a y S o c i e t y,1944,40:546-551.[13] V r a n c k e nRJ,H a l i m K,K oH,e t a l.F u l l y r e v e r s i b l e t r a n s i t i o nf r o m W e n z e l t o C a s s i e-B a x t e r s t a t e s o n c o r r ug a t e ds u p e r h y d r o p h o b i cs u r f a c e s[J].L a n g m u i r t h e A c s J o u r n a l o fS u r f a c e s&C o l l o i d s,2010,26:3335-3341.[14] B i r j a n d i FC,S a r g o l z a e i J.S u p e r-n o n-w e t t a b l e s u r f a c e s:a r e v i e w[J].C o l l o i d sa n dS u r f a c e s A:P h y s i c o c h e m i c a la n d E n g i n e e r i n gA s p e c t s,2014,448:93-106.[15] F e n g L,Z h a n g Z,M a i Z,e t a l.As u p e r-h y d r o p h o b i c a n ds u p e r‐o l e o p h i l i cc o a t i n g m e s hf i l mf o r t h es e p a r a t i o no fo i la n dw a t e r[J].A n g e w a n d t eC h e m i e,2004,116:2046-2048.841高分子材料科学与工程2020年。

ZnO超疏水_超亲水可逆转化薄膜研究进展

ZnO 超疏水/超亲水可逆转化薄膜研究进展蘧广剑，辛炳炜* ，封从姝，刘赛，石键( 德州学院山东高校配位化学与功能材料重点实验室，山东德州253023)摘要:ZnO 纳米薄膜具有光响应的润湿性可逆转化现象，这种“智能开关”在许多领域具有重要意义，为此近年来ZnO 超疏水薄膜的制备引起了研究者的广泛关注。

一般是在ZnO 表面修饰一层表面张力较低的物质，通过降低表面自由能而获得超疏水表面。

然而常用的修饰物质如氟化物、硅烷等会不同程度地被ZnO 光催化分解。

为此一方面积极寻求光催化稳定的修饰层，另一方面制备具有特殊形貌的ZnO 纳米薄膜以期直接获取ZnO 超疏水薄膜。

由于离子液体的稳定性，利用其作为ZnO 的修饰层制备双响应薄膜，另外用HAc 调控制备“裸”Zn O超疏水薄膜。

对ZnO 润湿性能及其超疏水薄膜的制备研究进展进行了简要综述。

关键词:ZnO 薄膜;润湿性;超疏水表面;光响应可逆转化中图分类号:O614．24 文献标识码:A 文章编号:0258-3283(2014)10-0907-06表面浸润性(又称浸润性，W ett abi li ty)，是固体表面的一个重要特征［1，2］，它对工农业生产和人们的日常生活都有着重要意义。

润湿性通常用液体在固体表面的接触角(C A)来表征，一般来讲，当水与固体的接触角＜90°时为亲水性，＞90° 时为疏水性;其中两种极端情况:＜5°为超亲水，＞150°为超疏水，广泛应用于国防、工农业生产和日常生活等领域。

超疏水表面的制备有两个前提条件:1)表面材料具有低表面自由能;2 ) 具有合适的表面微纳结构。

超疏水性表面可以通过两种方法制备:一种是在低表面能材料的表面构建粗糙结构;另一种是在粗糙表面上修饰低表面能物质。

通过外界条件如光、电、热、pH 等改变疏水亲水状态的表面，叫做智能润湿性表面［3］，这种“智能开关”在微流体技术、无损液体传输、自清洁材料等许多领域具有重要意义，成为当今润湿性领域最重要的发展方向之一，国内外许多课题组已从生物仿生到实际应用等多方面设计合成了多种功能超疏水表面［4］。

超疏水表面的制备方法及应用的研究进展

超疏水表面的制备方法及应用的研究进展摘要：在材料科学发展日新月异的今天，超疏水表面一直是材料研究的重点，并在军事、工业、民用方面具有极高的应用前景。

而润湿性是决定材料疏水性的关键所在，如何降低润湿性是提高材料疏水性的主要手段。

本文简单介绍了表面润湿性的基本理论，综述了超疏水表面的制备方法，及其相关应用的研究进展。

关键词：超疏水表面;润湿性;微/纳米结构1.引言在自然界中，许多生物都有着特殊的表面结构，而其中植物叶片的表面结构因其特殊的性质引起了人们极高的兴趣。

而在植物叶片中，荷叶叶片上表面的特殊性质又极为明显，荷叶的表面不均匀且大量地分布着平均直径在5~9微米的乳突，而乳突又是由许多的平均直径在121.1~127.5纳米的纳米分支结构组成。

除此之外，我们还可以发现在荷叶的下一层表面中还存在着纳米级的蜡晶。

通过蜡晶结构与乳突组成的微纳结构，成功地减少了叶面与液体的接触面积。

与此同时，通过微纳结构，荷叶也减少了与脏污的接触，便于脏污被带走，这就是荷叶叶片所表现出的自清洁性。

而溯其根本，自清洁性又是超疏水性的一个表现。

自然界中还有很多动植物的表面有超疏水的性质，例如在水面自由移动的水蛭。

为了这些动植物的研究，是人们对于超疏水表面的认识更加深入，这对于制备功能材料具有很好的意义。

润湿性是影响超疏水性质的关键，是指某种液体在一个平面上的延展，覆盖的能力。

假设有一液面铺展在一平面上，气、液、固三种物质接触于同一点处。

气-液界面的切线与固-液接触面的夹角为θ，称θ为接触角。

为了方便判定，通常以水与固体表面的接触角θ的大小来判断润湿性，并区分亲疏水表面。

当θ大于150?时，该表面被称为超疏水表面；当θ大于90°时，被称为疏水表面；当θ小于90°时，被称为亲水表面；当θ小于10°时，被称为超亲水表面。

其中，90°作为亲水与疏水的分界。

假设有一理想的平滑均匀平面，没有任何粗糙介质，则表面接触角θ满足杨氏方程：图1两种粗糙表面的润湿模型：Wenzel模型和Cassie模型近年来，由于超疏水表面在日常生活中及工业生产等方面有极高的价值，超疏水表面的制备及相关应用研究日益增多，本文主要综述超疏水表面的制备方法与其相关应用。

超疏水表面的研究进展超疏水材料的研究进展

超疏水表面的研究进展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。

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。

超疏水材料研究进展

超疏水材料研究进展 Document serial number【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】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]。

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。

超疏水高分子薄膜的构建

超疏水高分子薄膜的构建摘要：超疏水表面可表现出防水、防雾、抗氧化、自清洁等重要特性，具有广泛研究前景。

对自然界中的“荷叶效应”的仿生研究认为，超疏水性的获得来源于粗糙表面及疏水物质，通常可通过刻蚀、印刷、自组装等方式获得粗糙表面，也可表面化学修饰镀上疏水分子膜。

本文就超疏水高分子膜的构建，介绍了含氟聚合物、蜂窝状大分子及电纺技术在构建超疏水大分子膜方面新的思路与探索。

关键词：超疏水表面；高分子膜；含氟聚合物；自组装；同轴电纺超疏水表面一般指与水接触角(WCA)大于150°、滑动角(SA)小于10°的表面。

超疏水表面技术的理论研究始于20世纪40年代，来源于对大自然中植物与一些自然现象的认识，最典型的就是荷叶的超疏水性和自清洁功能。

而由于超疏水膜在防水、自净、减阻降噪和光电材料等方面巨大的应用前景，90年代以来引起了广泛关注。

1.超疏水表面的构建植物叶表面具有自清洁效果，以荷叶为代表，称为“荷叶效应”。

对荷叶表面的研究认为，这种自清洁特征是由粗糙的表面和疏水蜡状物质共同引起的。

中科院江雷课题组[1]研究发现，在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米-纳米相复合的阶层结构是引起超疏水的根本原因，并通过实验证明，单纯的微米或纳米结构虽然可以使表面产生超疏水性，但水滴在表面上不易滚动。

(a)(b) (c)图1[2]荷叶表面微米-纳米复合结构：(a):荷叶表面疏水性照片；(b):荷叶表面微米球SEM放大图-表层纳米粒子分布；(c):荷叶表面微米球结构SEM图。

大量的研究使材料研究者基本形成一个共识：材料表面润湿性通常取决于材料的表面形貌（表面粗糙度）和材料的表面化学性质。

这也为超疏水表面的构建提供了两种可能途径：一种是在疏水性材料表面构造合适的粗糙度，另一种是在具有合适粗糙度的材料表面用低表面能化学物质进行化学修饰。

构造表面粗糙度的方法有很多，包括机械拉伸、激光/等离子/化学刻蚀、印刷、溶胶-凝胶过程、溶液铸造、层叠层、胶体组装、电化学沉积等；表面化学修饰主要是利用自组装和物理化学沉积等，如含羟基基地表面硅烷偶联剂的自组装等，可以改变基底的表面化学性质。

超疏水薄膜的制备与表征 (1)

西北师范大学硕士学位论文超疏水薄膜的制备与表征姓名：薛再兰申请学位级别：硕士专业：分析化学指导教师：杨武;高锦章2008-06摘要固体的表面润湿性，是固体表面的一个重要特征，也是自然界、日常生活中最常见的界面现象之一。

作为润湿性中的极端情况，接触角大于150°的超疏水表面因为它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等许多领域中有着良好的应用前景，所以引起了各国学者的极大关注。

一般来说，超疏水表面可以通过两种方法制备：一种是在低表面能材料的表面构建粗糙结构；另一种是在粗糙的表面上修饰低表面能的物质。

目前，超疏水表面材料的制备由于工艺的限制，以及粗糙表面通常会影响到材料的使用性能，使该材料尚未得到普遍应用。

因此采用简单的工艺制备具有良好使用性能的超疏水材料是该领域的研究热点。

本论文在前人工作的基础上，用三种简单方法成功制备了超疏水纳米薄膜，研究表明，微∕纳米复合结构对超疏水性表面有着重要的影响。

论文共分四部分：第一章文献综述本章从最基本的润湿性概念出发，阐明超疏水的相关理论，进一步总结出目前制备超疏水材料的常用方法及应用前景，并提出本论文的设计思路。

第二章接触辉光放电等离子体引发全氟辛酸丙烯酯-甲基丙烯酸甲酯悬浮聚合及其成膜表面特性的研究本章以全氟辛酸丙烯酯（实验室合成）、甲基丙烯酸甲酯为单体，用聚乙烯醇为分散剂，以水为介质，采用等离子体引发悬浮聚合方法制备了全氟辛酸丙烯酯和甲基丙烯酸甲酯的共聚物。

利用红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、接触角仪、热分析仪等测试方法对薄膜的结构、表面元素组成、热稳定性与润湿等性能进行了表征和分析，结果表明：由于薄膜表面含有能降低表面能的F元素，具有良好的超疏水性能和热稳定性，水滴在该薄膜上的最大静态接触角为137°。

第三章溶胶-凝胶法制备超疏水性OTS-SiO2复合薄膜本章以正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体，采用酸/碱两步溶胶-凝胶法和自组装技术制备了具有超疏水性的薄膜。