超疏水表面的原理及应用

超疏水表面的原理及应用

李庭姝

深圳市宝安中学广东深圳518101

摘要：超疏水表面有着广泛的应用前景，比如在减阻、润滑等方面。本文主要介绍了超疏水表面的基本理论和相关制备方法，以及它的两种影响因素和相关研究进展，并在此基础上归纳总结了超疏水表面应用的一些优缺点。

关键词：超疏水表面、润湿性、微/纳米结构、防冰冻、减阻

超疏水表面的基本原理

1.自然界中有很多动植物的表面具有超疏水的性质，例如玫瑰和荷叶。仿照生物表面的微观结构，人们开始关注仿生材料。通过对这些生物的研究，人们对于超疏水表面的认识更加深入，新技术在生活中的应用更加广泛。

1.1超疏水表面的基本理论

当液体与固体接触时，液体沿固体表面扩展的现象称为液体与固体的浸润现象。在气体、液体、固体三相的交界处作液体表面与固体表面的切线，则此切线所构成的液体内部的夹角θ即为接触角。液滴在斜面上时，随着斜面倾斜角的增大，液滴开始滚动的临界角则定义为滚动角。

在理想固体表面上，接触角由三相的表面张力决定，并满足Young’s[1]方程：

cosθ=(γsg-γsl)/γlg

γsg、γsl、γlg分别为固-气、固-液、气-液间的表面张力。由于真实固体表面并非理想固体的光滑表面，故必须还要考虑表面的粗糙度。提出相关的较为成熟的基本理论有Cassie状态及Wenzel状态等。

Cassi研究了组成不均一的固体表面对液滴浸润性的影响[2]。在Cassie理论中，水滴未进入固体表面粗糙的微孔，从而形成水滴与空气膜界面。Cassie方程为：

cosθc=f1cosθ1+f2cosθ2

θc为表观接触角，θ1、θ2分别为液-气、固-气的接触角，f1和f2为液体、固体表面和空气接触的比例。

而Wenzel[3]理论则描述了水滴完全湿润固体表面，与固体不存在空气膜的情况。Wenzel提出的接触角方程为：

cosθw=r（γsg-γsl）/γlg=rcosθ

其中r为表面粗糙因子。

当接触角小于90°时，表面为亲水性表面；当接触角大于90°时，表面为疏水性表面；当接触角大于150°，且滚动角小于10°时，表面称为超疏水表面。

2．影响超疏水表面的因素

自然界中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、出淤泥而不染的荷叶。对于自然界这些动植物的研究，使得人们对于超疏水表面的认识更加深入，这对于制备仿生材料具有很好的意义。固体表面的浸润性主要由两个因素决定:①表面的粗糙程度；②表面能。超疏水表面的制备原则是将两者有机结合，或赋予低表面能物质表面适当的粗糙结构，或对粗糙表面进行表面改性以降低表面能。下面将分别详细介绍超疏水表面的影响因素。

固体表面的化学物质直接影响着浸润性及接触角。金属、玻璃等具有高表面能的物质易被浸润，而高聚物等低表面能物质则难以被浸润。研究人员曾经发现了很多光滑的脂肪族聚酰胺的浸润性，发现接触角随聚合物表面酰胺基的含量增加而增大。研究者们也在对光滑的甲基丙烯甲酯及含氟甲基丙烯甲酯的共聚物表面浸润性的研究中，发现接触角随表面含氟量的增大而增大。Cassie及Wenzel的方程中均包含三相张力γ，也可反映出表面化学物质对接触角的影响。

固体表面的粗糙程度同样影响着接触角，表面越粗糙，表面的疏水性越强。Wenzel在上个世纪40年代研究了固体表面粗糙结构与浸润性的关系，并在自己的方程中引入粗糙因子r来描述他们之间的关系。自然界中，许多具有超疏水性的植物叶面、水禽羽毛表面除了覆盖有一些低表面能的物质，包括分泌出的疏水性的蜡或油脂，表面还非常粗糙，这使其与水的接触角可达150°以上。荷叶表面有许多微米级的乳突，减少了固液基础面积，赋予了它优秀的超疏水性，这种结构也是人们仿生荷叶得到超疏水结构所模仿的。

将两种因素结合起来，可以制备出强浸润性的超疏水表面，即在粗糙度表面修饰低表面能物质，或是在低表面能物质表面构建粗糙结构。张希等[4]将逐层自组装的技术和电化学的沉积过程的技术相结合，将金颗粒沉积在与聚电解质组装的氧化铟锡电极表面上。

3.超疏水表面的制备方法

前面已经提到过影响固体表面的润湿性主要因素有表面的粗糙程度和表面能两种，所以说制备超疏水表面就是将二者有机结合，但凡可以改变表面微/纳结构或降低表面能的方法均可以达到改性的目的。下面将分别介绍几种已有的超疏水表面的制备方法、原理及优缺点。

3.1模板法

模板法是用已有表面存在所需粗糙结构的材料为模板，在一定条件下“复制”获得与模板相同的粗糙表面。基材可以是天然的超疏水材料如荷叶、花瓣等，也可以是多孔氧化铝等其他复合材料。研究者们使用多孔氧化铝作为一种基底模板，通过热压的方法将模板上的聚苯乙烯压入孔中，然后降温去除模板，得到具有纳米结构的聚苯乙烯表面，通过模板的尺寸，可以控制聚苯乙烯表面的微结构。模板法是一种简洁、高效、可发面积复制的制备方法，有很好的实际应用前景。

3.2气相沉积法

气相沉积法是利用不同的低表面物质通过化学或者物理的方法沉积在基材表面形成低表面能物质膜的过程。气相沉积法包括化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）等。Lau等[5]采用化学气相沉积法在碳纳米管整列薄膜的表面上，沉积一层四氟乙烯膜，可得到具有自清洁性能的超疏水表面。研究者们利用等离子体加强化学气相沉积方法，把五氟乙烷在纤维素薄膜上沉积起来，形成了一层碳氟膜，然后经过等离子体处理就可以得到具有可降解、柔韧性好、可再生使用等优点的超疏水薄膜。

4.超疏水表面的应用

超疏水材料表面粗糙，使得其与污染物的接触面积较少，作用力较弱，而又不易被水浸润，水滴在表面上滚动时，污染物易被带走，使其拥有自清洁特性，可以在生产与生活中广泛应用。

在固体表面上，水汽的不均匀凝结经常会出现结雾现象。这种现象主要是因为由光线散射的光引起的。或者无法出现凝结现象，就可以高效的防止在固体表面出现起雾的现象。超疏水表面水难以浸润，在防雨防雾方面也有出色的性能。下面是一些超疏水表面在防冰冻中的应用进展。王国刚等[6]得到超疏水表面，具有165°高接触角和5°低滚动角。这种制备的超疏水表面显着降低了冰涂层的速率和冰涂层的量。

在水下航行及探测方面，超疏水表面也有优秀的表现。超疏水性带来的减阻性可以减小摩擦阻力带来的能源损耗，并提升水下航行器的航行速度。如果船舶等修饰有超疏水材料，那么将超疏水涂层修饰后的船舶因其表面的疏水结构，更多接触的是空气而非水，在水中就会被一层空气膜包裹，气固界面气液界面处摩擦力是比液固界面摩擦力更低的。

目前中国的超疏水材料应用研究属于世界前列，如果我国能够在大规模工业生产超疏水材料方面有突破性的发展，这将对我国破除外国势力对中国的技术封锁、实现“中国制造2025”产生广泛而深远的影响。

5.结束语

超疏水材料在理论及制备方法方面得到了较好的研究与发展，也有着广泛的应用前景，但还存在稳定性差、所用材料价格昂贵、涉及特殊设备等问题，使得它尚不能大量投入实际应用。开发环保、简单的制备方法仍是亟待解决的问题之一。为解决这个问题，思路既可以是优化现有的制备方法，增强其稳定性并降低其成本，也可以另辟蹊径，寻找新的制备方法。如采用刻蚀法在固体表面刻出粗糙结构时，可以考虑利用如热胀冷缩等性质是固体膨大，以减小对仪器精密性的要求。或可以在材料液态时利用声波使表面粗糙，而后迅速凝固得到粗糙表面。

参考文献

[1]YoungT.Anessayonthecohesionoffluids[J].Phil.Trans.R.Soc.Lond.,1805,95:65—87.

[2]WenzelRN.Resistanceofsolidsurfacestowettingbywater[J].Ind.Eng.Chem.,1936,28:988—994.

[3]CassieABD,BaxterS.,Wettabilityofporoussurfaces[J].Trans.Faraday.Soc.,1944,40:546—551.

[4]ZhangX.,ShiF.,LiX.,etal.PolyelectrolyteMultilayerasMatrixforElectrochemicalDepositionofGoldClusters: TowardSuper-HydrophobicSurface[J],J.Am.Chem.Soc.,2004,126:3064-3065.

[5]LauK.，BicoJ.，GleasonK.Superhydrophobiccarbonnanotubeforests[J].NanoLett，2003，3:1701-1705

[6]王国刚,孙诚,陈良水,张小松,顾忠泽.基于分级结构超疏水表面的防冰冻性能初探[J].中国科学技术协会,2008.