超疏水材料的應(yīng)用狀況和市場前景分析

張娟芳 吳永民 余江龍

超疏水材料的應(yīng)用狀況和市場前景分析

張娟芳 吳永民 余江龍

對近年來超疏水材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域及日常生活等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進行了系統(tǒng)的總結(jié)。并且根據(jù)其自身的材料特殊性進行了市場現(xiàn)狀前景分析，提出制造工藝難，制造成本高等因素是其進入市場的最大障礙，需要通過強化其理論知識深化，并且改進加工工藝，擴大生產(chǎn)規(guī)模，從而降低其生產(chǎn)成本，拓展應(yīng)用范圍。伴隨價格障礙的逐漸打破工農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域?qū)⒊蔀槠渲魇袌觥?/p>

超疏水材料 應(yīng)用現(xiàn)狀 市場前景

一、引言

超疏水技術(shù)是一種具有特殊表面性質(zhì)的新型技術(shù)，具有防水、防霧、防雪、防污染、抗氧化、防腐蝕和自清潔以及防止電流傳導(dǎo)等重要特點，在科學(xué)研究和生產(chǎn)、生活等諸多領(lǐng)域中有極為廣泛的應(yīng)用前景。超疏水技術(shù)對于建筑工業(yè)、汽車工業(yè)、金屬行業(yè)等的防腐防銹及防污也很有現(xiàn)實意義。特別是近年來的微電子系統(tǒng)、光電子元器件及納米科技等高新技術(shù)的高速發(fā)展,給超疏水涂層的研究和應(yīng)用于勃勃生機。

超疏水材料的研究以詩句“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”為契機，以科學(xué)的手段向我們解釋這一奇特的自然現(xiàn)象，荷花表面覆蓋的天然超疏水薄膜，使得水滴聚集成股，順勢流下，沖刷著荷葉表面的淤泥，營造了出淤泥而不染的狀態(tài)。自然界中此類的例子層出不窮，例如：壁虎可以吸附墻面垂直爬行，水黽、蚊子、蜻蜓都能在水上行走而不給水面帶來絲毫的漣漪，就是因為其足上天然的超疏水材料。無論是基礎(chǔ)研究還是在實際應(yīng)用方面，浸潤性都是影響固體表面性能的重要因素之一，其主要由幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分共同決定。接觸角和滾動角的大小是衡量表面浸潤性最常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。所謂超疏水表面一般是指與表面穩(wěn)定接觸角大于150°，滾動接觸角小于10°。它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中有著極其廣闊的應(yīng)用前景。近年來的研究表明,基于對昆蟲的水上實驗觀察，我們還可以使水上飛行成為可能，依據(jù)原理即是在船的底部與船身部分覆蓋超疏水材料的薄膜，達到防污防腐的作用，從而減輕海水對船本身的擠壓，減小前進的阻力，進而節(jié)省能源。同時，室外天線上超疏水材料的使用，也可以對防積雪防冰凍等起到至關(guān)重要的作用。

二、超疏水材料的應(yīng)用

超疏水材料主要利用其自清潔、防污、防粘附等優(yōu)越的特性，廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管道運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍事等領(lǐng)域，下面分別作具體的應(yīng)用分析。

（一）超疏水材料在建筑防污耐水等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

建筑物表面的污染主要是由于空氣中微小顆粒的粘附和雨、雪等的覆蓋污染。伴隨近年來城市化的發(fā)展進程逐漸加快，城市人口迅速增加，隨之而來的城市污染加劇了酸雨等災(zāi)害的發(fā)生頻率，大量年代久遠的建筑物表面被侵蝕，例如樂山大佛面部被酸雨侵蝕的痕跡就很明顯地顯露出來。超疏水材料因其獨特的疏水性，在建筑物內(nèi)外墻、玻璃及金屬框架等部位恰當(dāng)?shù)氖褂贸杷牧希梢云鸬胶芎玫姆浪?、防雪和耐沾污等特性，同時，可降低建筑物的清潔及維護成本，使得建筑物能長久保持亮麗的外觀。綜述，超疏水材料在建筑物的自清潔，防污等領(lǐng)域的發(fā)展擁有廣闊的發(fā)展空間。目前，超疏水表面材料在建筑防污染面的產(chǎn)品主要是涂層及防護液等，如中科賽納技術(shù)有限公司采用納米合成技術(shù)制備的納米超疏水自清潔玻璃涂層。該涂層大體具有無色透明、無毒、無污染牢固度高且具有自清潔、防結(jié)冰、抗氧化等優(yōu)點。

（二）超疏水表面材料在船舶提高浮力方面的應(yīng)用

據(jù)實驗觀察，不論是在水面的滑行、跳躍，還是快速掠過，水黽都既不會滑破水面，更不會浸濕腿部。因而也就被美譽為“池塘中的溜冰者”根據(jù)這一現(xiàn)象，科學(xué)家經(jīng)過論證得出，水黽特殊腿部微納米結(jié)構(gòu)和水面間形成的“空氣墊”，阻礙了水滴的浸潤，讓它們實現(xiàn)了自然界版的“水上漂”。據(jù)了解，利用新型超疏水材料制成的超級浮力材料，可以使船表面具有超疏水性，并因此在其表面形成具體版的“空氣墊”，改變船與水的接觸狀態(tài)，防止船體表面被水浸濕，進而使其在水中運行的阻力更小，提高速度，節(jié)省了能源。研究人員表明，交通工具的“水上飛”，可以有效地提高交通工具的速度，節(jié)省一定的能源，有可能也會順勢引起交通、能源領(lǐng)域的一次革新。

（三）超疏水表面材料在管道運輸方面的應(yīng)用

天然氣的管道運輸因其傳輸距離遠，線路可控設(shè)備投入較簡單等優(yōu)勢已經(jīng)成為陸上天然氣資源的主要輸送方式，但由于天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳和水等腐蝕性物質(zhì)，因而管道容易發(fā)生均勻腐蝕、坑蝕、電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕等現(xiàn)象。由于管道內(nèi)壁表面粗糙等原因，天然氣的傳輸效率也較低。針對上述問題，許多學(xué)者在這方面做了很多工作，例如在鋁及其合金表面上制備超疏水薄膜，使其防腐能力明顯提高，碳納米管粘接在基材鋁板表面以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，然后用聚四氟乙烯修飾該復(fù)合表面上以形成一層超疏水PTFE膜（如圖1所示）。

圖1 微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水表面

在國外，許多鋁、鐵、碳鋼等金屬以及合金表面都會用超疏水膜來修飾，以提高其防腐蝕性。該方法可有效地運用在如管道氣體、液體運輸減阻等多方面，對降低運輸能耗，提高輸送效率有很大幫助，未來有較大的開發(fā)應(yīng)用空間。

（四）超疏水材料在織物及過濾材料方面的應(yīng)用

采用靜電紡絲法或者在材料表面進行處理可制備具有超疏水性的各種微納米結(jié)構(gòu)纖維。這類材料因具有超疏水性能，可用于制造防水薄膜、疏水濾膜以及防水透氣薄膜等，或者使織物因疏水性能而具有防水、防污染、防灰塵等新功能。

德國巴斯夫（BASF）公司也將荷葉效應(yīng)應(yīng)用到紡織品上，開發(fā)出具有超疏水自清潔功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。而上海名列化工科技有限公司則開發(fā)出了MLCF系列多孔薄膜（如圖2所示）。

圖2 PTFE纖維濾膜

超疏水材料在超細纖維制備、現(xiàn)有纖維或者織物的超疏水處理及制備分子級的纖維疏水過濾材料等方面都有十分廣泛的應(yīng)用，對纖維及紡織領(lǐng)域的應(yīng)用功能拓展和更新?lián)Q代有積極的推動作用。通過此類技術(shù)的發(fā)展，日常生活領(lǐng)域?qū)槠涮峁﹥?yōu)越的發(fā)展空間。同時，人類的生活也將更加科技化、舒適化、便捷化。

（五）超疏水材料在微流體控制方面的應(yīng)用

超疏水材料表面所具有的不浸潤性及低表面粘滯力，使其在微流體控制應(yīng)用方面也有十分出色的表現(xiàn)。比如控制微液滴的運動和流動，若用其微量注射器的針尖部位，可以盡可能完全的消除昂貴的藥品在針尖上的依附，而緩解醫(yī)藥用品的浪費和對針尖的污染。如果將這類技術(shù)運用到諸如噴涂領(lǐng)域，比如用超疏水材料制造噴漆噴膠等的噴頭，將會使噴涂的液滴更加均勻，霧化效果更好，可以運用在對噴涂效果有特殊要求的場合，以顯示其良好特性。

三、超疏水材料應(yīng)用的SWOT分析

這里我們主要用SWOT分析法，通過對超疏水材料在市場和同行業(yè)的優(yōu)劣勢及機會威脅的分析，準(zhǔn)確對應(yīng)用市場的定位，將產(chǎn)品推向市場。

（一）優(yōu)勢分析

1.我國目前材料消費市場以新型環(huán)保為消費理念，并且超疏水材料以自然界中荷花表面附著水滴自由下落，且出淤泥而不染為研究論據(jù)，無形中給消費者帶來好奇心，伴隨理論研究方面對超疏水材料長達數(shù)十年的理論攻克，研究開發(fā)策略基本夯實，同時，對我們來說最大的機遇則是市場目前并沒有投入使用的超疏水材料，市場份額空缺，當(dāng)我們的研究材料投入市場，可以把握市場主動權(quán)。其次，超疏水材料可以分別應(yīng)用于日常生活領(lǐng)域、醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及國防事業(yè)領(lǐng)域，其涉及面廣泛，可以更加優(yōu)越的采取“多品牌”策略，以各種不同的產(chǎn)品敲開不同的市場之門，緩解競爭壓力。

2.宣傳推廣的優(yōu)勢。目前電子信息時代的逐漸深入發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)媒體、廣告報刊等宣傳媒介為我們進一步宣傳產(chǎn)品提供有效的幫助，在無形中以“軟實力”贏得市場份額。

（二）弱勢分析

1.超疏水材料技術(shù)是一個新名詞，超疏水材料在我國還沒有可以正式投入生產(chǎn)使用的產(chǎn)品，對其深入了解的人群僅限于研究人員及知識分子，并不為大多數(shù)人所知曉，因此，推廣難度大。

2.目前，大多數(shù)制備方法還存在實驗條件苛刻、步驟繁瑣、成本高等問題，無法工程化應(yīng)用。現(xiàn)已投入市場的超疏水材料也存在如表面微細結(jié)構(gòu)強度低、易老化、易磨損、易污染、使用壽命短等缺點。因此，對超疏水表面制備技術(shù)的研究還有許多工作要做。隨著理論研究的不斷深入,以及制備工藝的優(yōu)化和制備方法的創(chuàng)新，超疏水界面材料的研究必將在實際應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮更加重要的作用。

（三）機會分析

1.國家政策的支持。（1）從我國國情和科技、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)出發(fā)，現(xiàn)階段選擇節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料和新能源汽車七個產(chǎn)業(yè)，在重點領(lǐng)域集中力量，加快推進。（2）科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛,國家提倡強化科技創(chuàng)新，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力。加強產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)和前沿技術(shù)研究，強化企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力建設(shè)，加強高技能人才隊伍建設(shè)和知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)造、運用、保護、管理，實施重大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展工程，建設(shè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新支撐體系，推進重大科技成果產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展。因而給超疏水材料的發(fā)展?fàn)I造良好的國內(nèi)發(fā)展環(huán)境。（3）國家支持發(fā)展小微企業(yè)及新興企業(yè)，同時，加大財稅金融等政策扶持力度，引導(dǎo)和鼓勵社會資金投入。設(shè)立戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金，建立穩(wěn)定的財政投入增長機制。制定完善促進戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的稅收支持政策。鼓勵金融機構(gòu)加大信貸支持，發(fā)揮多層次資本市場的融資功能，大力發(fā)展創(chuàng)業(yè)投資和股權(quán)投資基金。

（四）威脅分析

1.超疏水材料的研究成本費用主要是生產(chǎn)上的制造費用，由于其制造需要很多結(jié)構(gòu)精密的儀器和大批量的化學(xué)藥劑，從而使其成本偏高，限制于實驗室和研究價值。其次，由于制造成本高昂，只有在實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的條件下，發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟才能使生產(chǎn)廠商有利可圖，所以在投入生產(chǎn)時就需要有資金實力強的大廠商，從而使其生產(chǎn)受到限制，普通小型廠商不能加入競爭，出現(xiàn)進入門檻高的現(xiàn)象。最后，為實現(xiàn)超疏水材料的質(zhì)量、性能等方面的優(yōu)良，就需要具有相關(guān)專業(yè)知識和理論基礎(chǔ)的技術(shù)人員，這也加大了其成本費用。因此，要實現(xiàn)市場上的流通就必須研究其制造方法，使其趨向自動化和易操作，更好的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，便捷人們生活。

2.打破高價格障礙是超疏水材料進入市場的關(guān)鍵，價格的挑戰(zhàn)促使超疏水材料研究者致力于開發(fā)低成本的新型材料，以推動其產(chǎn)品的市場化進程。

3.超疏水材料雖然具有清潔環(huán)保等優(yōu)良的性能，但是價格過于昂貴，很難找到商業(yè)應(yīng)用的市場，所以一直未能大規(guī)模地投入市場，近年來研究人員在努力降低其生產(chǎn)成本等方面進行大量的實驗，努力打破其價格障礙。然而，超疏水材料在保持其高價格的同時也要看到其優(yōu)良的性能和使用壽命帶來的經(jīng)濟效益。與此同時，要努力改進加工技術(shù)，擴大生產(chǎn)規(guī)模，走商品化的生產(chǎn)化道路，只有在生產(chǎn)規(guī)模達到一定水平后，超疏水材料才能達到企業(yè)所接受的水平。

4.由于材料市場的可替代品多，且價格的層次不齊，產(chǎn)品收益會大打折扣。

四、超疏水材料的市場前景分析

雖然國內(nèi)外的專家學(xué)者相繼通過研究得出大量關(guān)于超疏水材料的理論成果，但基本仍處于實驗室階段，市場的使用率基本接近無，且民眾的認(rèn)知率也極為有限，這些都是各企業(yè)唯恐不及的困難，若把握好這一局面，將會有巨大的市場主動性。首先，依賴簡單經(jīng)濟，環(huán)保友好的制備方法，順應(yīng)“綠色環(huán)?？萍肌钡陌l(fā)展理念，率先給民眾樹立良好的產(chǎn)品形象，潛移默化地贏得顧客青睞。其次，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，制作的產(chǎn)品貼合群眾生活，從日常生活領(lǐng)域拓展產(chǎn)品的深入步伐，其拓展領(lǐng)域之大可想而知。最終，在工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域逐漸打開市場，進行市場的全方位經(jīng)營。總之，超疏水材料的優(yōu)良性能是其深入市場的利劍，只要把握好其對象，定會迅速搶占市場先機。

五、結(jié)論

伴隨著商品經(jīng)濟的日益發(fā)展，越來越多的消費者在追求商品質(zhì)量的完美性及使用的可操作性的同時，更加注重產(chǎn)品的綠色環(huán)保等性能，超疏水材料以其獨特的表面特征，如清潔、防腐、生物相容性及超疏水性等，可以廣泛應(yīng)用于日常生活領(lǐng)域、醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及國防領(lǐng)域等，進而引起了人們對其研究探索的極大興趣，致力于開發(fā)出新型環(huán)保的超疏水材料來貢獻于人類生活。它的廣泛發(fā)展將促進清潔環(huán)保材料的更新?lián)Q代，加快工業(yè)化的發(fā)展進程。

[本文為國家級創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目：“超疏水材料在日常生活領(lǐng)域的應(yīng)用推廣”，項目編號：20130731010]

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（作者單位：蘭州理工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院 甘肅蘭州 730050；通訊作者：余江龍）

（責(zé)編：賈偉）

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