超疏水表面涂层制备技术的研究进展
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中图分类号 ：０６４７文献标识码 ： Ｂ文章编 号 ：１００３—８９６５（２０１６）０卜 ００３２－０２
１引 言
植 物叶表面 的自清 洁效 果引起 了人们的兴趣 ，这种 自 清 洁性质 以荷 叶为代 表 ，因此称为 “荷叶效应 ”。德 国生 物学 家 Ｂａｒｔｈｌｏｔｔ…在 １９９７年通过对 近 ３００种植 物叶 的结 构进行研究 ，认 为这种 自清洁的特征是 由粗糙 的表面和表 面存在 的疏 水的蜡状物质共 同引起的。中科院研究小组 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 疏水表面的根 本原 因 ；并 通过试验证 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。通 过 大量 的研 究发现 ，固体表面浸润性 由以下 ２个因素共 同 决定 ：① 表面化学组成 ；②表面粗糙度 。超 疏水表面可 以 通过 ２种方法制得：① 利用低表面能材料来构建粗 糙结构； ② 在粗 糙表面上修饰低表 面能物质 。荷叶表面微观结构能 够 自清洁的这一发现为人工构筑超 疏水表面 提供 了灵感。
关键词 ：超疏 水；仿荷 叶；多级结构 ；表 面技术 ；超疏水涂层
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉｏｎａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｐｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｉｎ ｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇ ｃｏａｔｉｎｇ，ｍ ｉｃｒｏｆ ｌｕｉｄｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｓ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｍ ｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｅｔｃ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｈａｓ ａｒｏｕｓｅｄ ｇｒｅａｔ ｃｏｎｃｅｒ ｎ ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｕｍｍ ａｒｉｚｅｓ
２．１等 离子体处理技 术 利用 等离 子体 对普 通材 料 或含氟 的低 表面 能物 质进 行表面粗糙化 处理来制 备超 疏水 表面的方法称 为等离子体
法 。 Ｌａｃｒｏｉｘ等 通过简 单的等离 子体 聚合与等离 子体 刻
蚀技 术在 硅基底上制得 了粗糙 的结构 ，经过进 一步 氟化物 修饰 表面后 ，表面呈现 出超疏水 的特性 ，水滴 与表 面的接 触角 接近 １ ８０。 。Ｋｈｏｒａｓａｎｉ等 在 室温环境 下利 用 ＣＯ， 脉冲激光处理聚二 甲基硅氧烷 ，使其 表面产生多孔结构 ， 测得其表面 与水的接触角高达 １７５。 。这种技 术处理表面 是获得粗糙结构的有效方法 ，其优点是选择性高 、快速等 ， 但是存在 的局 限是成 本高并且不利于大面积超疏水表面 的 制 备 。
ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｒｅｎｄｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒ ｆａｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ—ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ；ｌｏｔｕｓ ｌｅａｆｌｉｋｅ； ｍｕｌｄ ｌｅｖｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒ； ｓｕｒ ｆａｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｓｕｐｅｒ—ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ
摘 要 ：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 归纳 了超疏水表 面的制备方法和相关的理论分析 ，简单介绍 了本研 究小组最新研制的一种超疏 水涂层材 料制备技术 ，展望 了超疏水表 面的研 究趋势和应用前景 。
Ｉ 堡堕
超疏 水表面涂层制备 技术 的研究进展
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
王 英 （甘 肃 中医 药大 学定 西校 区 定 西师 范高等 专科 学校 ，甘 肃 定西 ７４３０００）
ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｏｆｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｓｏｍ ｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｏｎ，ｓｉｍｐｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆｎｅｗｅｓｔ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｓｕｐｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｅａｍ ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｏｐｅｎｓ ａ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ
曲爱 兰等 通过 制备 不同粒径和 形状 的 ＳｉＯ，粒 子 ， 构成 了符合 Ｃａｓｓｉｅ模 型的非均 相界面 模型 ，使得水 滴与 涂 膜 表 面 接 触 时能 够 形 成 较 小 的粗 糙 度 因 子 与 高 的 空 气 捕 捉率 ，然后利用 氟硅烷 的表 面 自组装功能制备得到 了具有 仿生 类 ”荷 叶效应 ”的超 疏水膜 ，两者共 同作 用赋 予 了涂 膜超疏水性能。测得水 的静态接触角达到 （１７４．２±２）。 ， 接触 角滞 后几乎接近 Ｏ。 。郭 志光等 采用溶胶 一凝胶法 与Байду номын сангаас自组 装技术相结合在硅片表面制备 了具有一定表面粗糙 度的薄膜 ，再 经全氟辛基三氯 甲硅烷化学修饰后制备 出了 具有超 疏水性 能的薄膜 ，水 滴与膜表面 的接触 角为 １５５～ １ ５７。 ，滚动角小于 ５。 。
２超 疏 水 表 面 制 备 技 术
随着人们对超 疏水表面的深入研究 ，许 多制备 方法不 断涌现 ，目前 ，已经有 多种 方法 可以人工制备超疏水表面 ， 比如 以天然 动植 物超疏水表面作 为模板 ，用聚合 物在其 表 面 固化 或用光刻印的方法将模板 的表面形貌信 息转移到复 制 物的表 ；用化学沉积 （气相沉积 、电化 学沉 积或逐层沉 积 ）的方法在基材表面形成超疏水薄膜 表面 ：或采用静 电 纺 丝的方法形成纤维状微纳 米尺度粗糙表面等等 。
２ ２溶胶 一凝胶法
溶胶 一凝胶 法 （Ｓｏｌ—ｇｅｌ法 ）是指用含 有高化 学活性 组 分的化合 物作为前驱物 ，在酸或碱条件下进行水解产生 活性 的羟 基 ，经过水解缩合反应形成溶胶 ，随着水解缩合 反应 的 进 行 ，溶 胶 的粘 度 进 一 步 增 加 ，最 后 形 成 凝 胶 ，经 过陈化、干燥成为干凝胶。 当把溶剂去除后 ，有时会 留下 一 些微纳米孔 ，这些孔结构赋予 了材 料一些性能 ，如超 疏 水 性 。
１引 言
植 物叶表面 的自清 洁效 果引起 了人们的兴趣 ，这种 自 清 洁性质 以荷 叶为代 表 ，因此称为 “荷叶效应 ”。德 国生 物学 家 Ｂａｒｔｈｌｏｔｔ…在 １９９７年通过对 近 ３００种植 物叶 的结 构进行研究 ，认 为这种 自清洁的特征是 由粗糙 的表面和表 面存在 的疏 水的蜡状物质共 同引起的。中科院研究小组 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 疏水表面的根 本原 因 ；并 通过试验证 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。通 过 大量 的研 究发现 ，固体表面浸润性 由以下 ２个因素共 同 决定 ：① 表面化学组成 ；②表面粗糙度 。超 疏水表面可 以 通过 ２种方法制得：① 利用低表面能材料来构建粗 糙结构； ② 在粗 糙表面上修饰低表 面能物质 。荷叶表面微观结构能 够 自清洁的这一发现为人工构筑超 疏水表面 提供 了灵感。
关键词 ：超疏 水；仿荷 叶；多级结构 ；表 面技术 ；超疏水涂层
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉｏｎａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｐｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｉｎ ｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇ ｃｏａｔｉｎｇ，ｍ ｉｃｒｏｆ ｌｕｉｄｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｓ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｍ ｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｅｔｃ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｈａｓ ａｒｏｕｓｅｄ ｇｒｅａｔ ｃｏｎｃｅｒ ｎ ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｕｍｍ ａｒｉｚｅｓ
２．１等 离子体处理技 术 利用 等离 子体 对普 通材 料 或含氟 的低 表面 能物 质进 行表面粗糙化 处理来制 备超 疏水 表面的方法称 为等离子体
法 。 Ｌａｃｒｏｉｘ等 通过简 单的等离 子体 聚合与等离 子体 刻
蚀技 术在 硅基底上制得 了粗糙 的结构 ，经过进 一步 氟化物 修饰 表面后 ，表面呈现 出超疏水 的特性 ，水滴 与表 面的接 触角 接近 １ ８０。 。Ｋｈｏｒａｓａｎｉ等 在 室温环境 下利 用 ＣＯ， 脉冲激光处理聚二 甲基硅氧烷 ，使其 表面产生多孔结构 ， 测得其表面 与水的接触角高达 １７５。 。这种技 术处理表面 是获得粗糙结构的有效方法 ，其优点是选择性高 、快速等 ， 但是存在 的局 限是成 本高并且不利于大面积超疏水表面 的 制 备 。
ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｒｅｎｄｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒ ｆａｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ—ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ；ｌｏｔｕｓ ｌｅａｆｌｉｋｅ； ｍｕｌｄ ｌｅｖｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒ； ｓｕｒ ｆａｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｓｕｐｅｒ—ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ
摘 要 ：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 归纳 了超疏水表 面的制备方法和相关的理论分析 ，简单介绍 了本研 究小组最新研制的一种超疏 水涂层材 料制备技术 ，展望 了超疏水表 面的研 究趋势和应用前景 。
Ｉ 堡堕
超疏 水表面涂层制备 技术 的研究进展
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
王 英 （甘 肃 中医 药大 学定 西校 区 定 西师 范高等 专科 学校 ，甘 肃 定西 ７４３０００）
ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｏｆｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｓｏｍ ｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｏｎ，ｓｉｍｐｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆｎｅｗｅｓｔ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｓｕｐｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｅａｍ ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｏｐｅｎｓ ａ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ
曲爱 兰等 通过 制备 不同粒径和 形状 的 ＳｉＯ，粒 子 ， 构成 了符合 Ｃａｓｓｉｅ模 型的非均 相界面 模型 ，使得水 滴与 涂 膜 表 面 接 触 时能 够 形 成 较 小 的粗 糙 度 因 子 与 高 的 空 气 捕 捉率 ，然后利用 氟硅烷 的表 面 自组装功能制备得到 了具有 仿生 类 ”荷 叶效应 ”的超 疏水膜 ，两者共 同作 用赋 予 了涂 膜超疏水性能。测得水 的静态接触角达到 （１７４．２±２）。 ， 接触 角滞 后几乎接近 Ｏ。 。郭 志光等 采用溶胶 一凝胶法 与Байду номын сангаас自组 装技术相结合在硅片表面制备 了具有一定表面粗糙 度的薄膜 ，再 经全氟辛基三氯 甲硅烷化学修饰后制备 出了 具有超 疏水性 能的薄膜 ，水 滴与膜表面 的接触 角为 １５５～ １ ５７。 ，滚动角小于 ５。 。
２超 疏 水 表 面 制 备 技 术
随着人们对超 疏水表面的深入研究 ，许 多制备 方法不 断涌现 ，目前 ，已经有 多种 方法 可以人工制备超疏水表面 ， 比如 以天然 动植 物超疏水表面作 为模板 ，用聚合 物在其 表 面 固化 或用光刻印的方法将模板 的表面形貌信 息转移到复 制 物的表 ；用化学沉积 （气相沉积 、电化 学沉 积或逐层沉 积 ）的方法在基材表面形成超疏水薄膜 表面 ：或采用静 电 纺 丝的方法形成纤维状微纳 米尺度粗糙表面等等 。
２ ２溶胶 一凝胶法
溶胶 一凝胶 法 （Ｓｏｌ—ｇｅｌ法 ）是指用含 有高化 学活性 组 分的化合 物作为前驱物 ，在酸或碱条件下进行水解产生 活性 的羟 基 ，经过水解缩合反应形成溶胶 ，随着水解缩合 反应 的 进 行 ，溶 胶 的粘 度 进 一 步 增 加 ，最 后 形 成 凝 胶 ，经 过陈化、干燥成为干凝胶。 当把溶剂去除后 ，有时会 留下 一 些微纳米孔 ，这些孔结构赋予 了材 料一些性能 ，如超 疏 水 性 。