摘要：超疏水表面因其具备自清洁、油水分离、抗腐蚀、防结冰以及防雾等优秀特性，近几年来备受材料学家的青睐，吸引了大批科学家投入到超疏水材料的研究中去。并且，随着超疏水表面制备的研究愈发完善，其应用的领域也将更加广阔，人们也将对超疏水表面产生更浓厚的兴趣。本文将以文献为基础，概述超疏水表面材料的性质，制备方法，并且对如今超疏水表面的研究进展情况以及所遇到的问题做出分析。
关键词：超疏水表面；历史；制备方法
1前言
超疏水材料是一种对水具有排斥性的材料,水滴在其表面无法滑动铺展而保持球型滚动状，从而达到滚动自清洁的效果。润湿性是固体材料表面的重要性质，决定材料表面润湿性能的关键因素包括材料表面的化学组成和表面的微观几何结构。因此科学家将静态水接触角大于150°，滚动角小于10º的表面称为超疏水表面。超疏水材料普遍同时具有微纳米复合结构和低表面能的化学物质，这也是成为超疏水材料的前提。
2超疏水材料的历史起源
其实远在两千多年前，人们就发现有些植物虽然生长在污泥里，但是它的叶子却几乎永远保持清洁，一个最为典型的例子就是荷叶。荷花通常生长在沼泽和浅水区域，但却具有“出淤泥而不染”的特性，这使得荷花成为几千年以来被人们作为纯洁的象征。荷叶上的灰尘和污垢会很容易被露珠和雨水带走，从而保持表面的清洁。科学家将这样的子清洁现象称之为“荷叶效应”。
然而荷叶始终保持清洁的机理却一直不为人们所知，直到20世纪60年代中期扫描电子显微镜(SEM)的发展，人们才逐渐揭开了荷叶“出淤泥而不染”秘密。1977年，德国伯恩大学的Barthlott和Neinhuis通过扫描电镜研究了荷叶的表面结构形态（如图1所示）。揭示了荷叶表面的微米乳突结构以及蜡物质是其拥有自清洁功能的关键。他们认为认为产生的“荷叶效应”是由蜡状物质这种低表面能的材料以及乳突这种具有微米粗糙结构共同引起的。研究表明，荷叶表面分布着大量微米级的蜡质微乳突结构；每一个乳突上又分布着大量纳米级的细枝状结构；而且荷叶的表皮上存在许多的蜡质三维细管，这样的微纳米复合结构，致使水滴与荷叶表面具有很低的接触面积。因此，荷叶表面蜡质组分和微纳米复合结构共同作用，赋予荷叶独特的超疏水和低粘附性。荷叶上水的接触角和滚动角分别约为160°和2°。水滴在荷叶表面几乎呈现球形，并且可以在所有方向上自由滚动，同时带走荷叶表面的灰尘，表现出很好的自清洁效。荷叶效应，即自清洁表面表现为：与水的接触角大于150°有很强的抗污染能力，即表面污染物如灰尘等可以被滚落的水滴带走而不留下任何的痕迹。
3超疏水材料的制备
收到大自然的启发，科学家们发现了许多用于控制表面结构，使表面具有一定的微观结构而增大表面粗糙程度的方法，主要有以下几种。
（1）模板法——模板法常用于制备纳米阵列结构常，以阳极氧化铝、聚苯乙烯球和硅球等为模板。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆AAO使用时，通常采用压印技术在材料表面复印出模板表面形貌，使用PS及硅球，则采用在球间隙填入材料物质而后移去模板的方法。比较有特别的是Zhu等以AAO为模板，采用名为“模板滚动压印”的方法制备纳米孔阵列。研究人员将AAO纳米柱阵列的薄膜包覆于一根热棒上，通过提供热量及滚动热棒，将模板外形印在从热棒下移动过的聚碳酸酯薄膜上，而得到具有纳米孔阵列的PC膜。相对于原始能够被水润湿的薄膜，具有纳米孔阵列结构的薄膜具有超疏水性。通过改变模板纳米柱直径可改变材料纳米孔直径，发现水滴在膜表面接触角随孔直径减小而增大，这可以得出是由于纳米孔直径减小而使得表面粗糙程度增大导致膜表面更为疏水。
（2）相分离法——相分离方法是先将某种固相材料分散于液相或另一固相得到稳定混合物，混合物沉积于基底表面，通过改变条件使其发生相分离，移除第二相后得到粗糙表面。一般的相分离方法需要两步，即改变条件发生相分离及第二相移除，而Han发现了一种只需要一步就可以得到成品的方法。他将嵌段高分子PP-PMMA溶于DMF或THF以此得到胶束溶液，随后把胶束溶液展开在基底上，然后利用溶剂的挥发直接获得粗糙表面。通过对溶剂及溶液浓度的控制使表面具有不同甚至多级的微观结构，使材料拥有了各种各样的特性。
(3)电化学沉积法——电化学沉积方法是构筑粗糙表面比较简单经济的构筑粗糙表面方法，且不受基底尺寸及形貌制约。Zhu等就是用的这个方法，他们采用涂覆有氧化铟锡的玻璃作为基底，在表面上沉积Cu纳米颗粒而制备粗糙表面。该方法主要有两步组成，第一步在基底上加小电位沉积得到Cu小颗粒，第二步加电位使颗粒长大并具有微观多级结构。通过控制过电位沉积的时间可使其拥有不同结构表面从而具有不同的疏水性。
4总结以及展望
本文简略的综述了近些年关于超疏水表面制备及多功能化的部分研究。在对超疏水表面的多功能化中，虽然功能各异，但其本质思想相同，即选择合适表面能材料、更为精细的控制表面微观结构。超疏水表面的研究在近些年来迅速成为材料科学的研究人员的关注热点。有了前辈们坚实的基础理论模型再加上如今人们对于自然界中超疏水表面研究的深入，使得人工制备的超疏水表面有了越来越优秀的性能。工业的升级也给科学的进步带来的福音，目前，随着超疏水材料技术在武器装备防护、能源及其他创新领域展现出日益广阔的应用前景，未来的超疏水材料技术将有可能与仿生技术、纳米技术等高新技术深度融合，逐步突破其机械性能与耐用性能的关键瓶颈，在更多领域发挥出更大的应用价值。
参考文献
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[4]江雷.从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J].化工进展,2003(12):1258-1264.
作者简介：李荣康（1998.12-），男，贵州遵义人，江苏大学本科在读，高分子材料与工程；
陈智园（1998.03-），男，江西抚州人，江苏大学本科在读，高分子材料与工程专业；
张文杰（1997.10-），男，新疆精河人，江苏大学本科在读，高分子材料与工程专业。
论文作者:李荣康 陈智园 张文杰
论文发表刊物:《知识-力量》2019年12月59期
论文发表时间:2020/1/16
标签：疏水论文; 表面论文; 荷叶论文; 材料论文; 结构论文; 纳米论文; 方法论文; 《知识-力量》2019年12月59期论文;