超疏水材料的研究進(jìn)展

郭升亮，田永慶，韓媛媛，李亮(西安培華學(xué)院，陜西 西安 710125)

0 引言

超疏水材料是一種新型材料，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，用于在金屬材料領(lǐng)域則具有保護(hù)作用，起到了耐腐蝕的效果。實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過加工該材料也能起到自清潔及耐磨的能力。隨著超疏水材料應(yīng)用的增加，所面臨的問題也在變多，其穩(wěn)定性成了該材料發(fā)展的研究之重。

1 超疏水材料的簡介

超疏水雖然是一種新型材料，但在自然界中，許多植物葉表面、鳥禽羽毛都具有超疏水性的特點(diǎn)，如蜻蜓的翅膀、池塘的荷葉等[1]。目前超疏水材料分為兩大類：天然和人工合成。天然的超疏水材料大多來源于自然界的動植物，具有良好的相適應(yīng)性并且易降解，具有親水基團(tuán)，對環(huán)境友好。人工合成的超疏水材料在天然超疏水的基礎(chǔ)上完善了許多的劣勢，所以目前市場上廣泛使用的使人工合成超疏水材料。

1.1 納米纖維素超疏水材料

余成華[2]以氣凝膠基礎(chǔ)，在其表面利用水熱法，通過原位負(fù)載高分子磁性納米粒，采用氣相沉積法將磁性氣凝膠疏水化并制備出具有磁性效應(yīng)性納米纖維素性氣凝膠。將改變性質(zhì)后的磁效應(yīng)性納米纖維素型氣凝膠，用于含油廢水的分離和有機(jī)溶劑吸附力的提升等，都可以表現(xiàn)出良好的吸附能力，這些高分子納米顆粒不僅提供了磁效應(yīng)的性能，還提高了氣凝膠的粗糙程度。結(jié)果測得質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的TOCN，最后所制備得到的MGTCON氣凝膠所接觸的角度都大于150°，因此結(jié)果表明其表現(xiàn)出來疏水性能的高效性，

1.2 仿生超疏水材料

王青[3]以苯乙烯為基本聚合單體，采用簡單方便且高效快捷的合成方法制備出有機(jī)/無機(jī)樹莓狀結(jié)構(gòu)的微球。分別采用乳液聚合法和分散聚合法制備出粒徑為微米級和納米級左右的PS高精度微球。為制備出微球的階層結(jié)構(gòu)，可采用簡單物理混合的方法，經(jīng)過疏水化處理后的微球，可將其用于銅網(wǎng)的表面修飾，發(fā)現(xiàn)可以得到相同的高效油水分離特性的銅網(wǎng)，呈現(xiàn)出超疏水優(yōu)良的特性。

1.3 綠色無氟超疏水材料

郗盼毅等[4]用模板法通過模板“鏡像”效應(yīng)，以新鮮荷葉為模板，聚二甲基硅氧烷(PDMS)為密封材料，使天然的竹材表面呈現(xiàn)出微納米層次的乳頭狀凸起結(jié)構(gòu)；涂覆法是將樣品完全浸入含有低表面能材料的化學(xué)溶液中，然后進(jìn)行干燥固化成型；電放技術(shù)是用聚合物溶液在電場庫侖力的作用下被極度拉伸的情況下形成噴射出高速細(xì)流，隨后落在基板上形成微/納米纖維膜。

2 超疏水材料的應(yīng)用

在各個領(lǐng)域，超疏水材料的應(yīng)用不僅相當(dāng)廣泛而且有極大的進(jìn)展。因其優(yōu)異的超疏水性而具備防腐蝕、自清潔、防覆冰的性能，廣泛運(yùn)用于各個鄰域，其中包括對金屬材料、紡織材料、木材材料、生物組織、口腔醫(yī)學(xué)等，由此可見超疏水材料有著巨大的發(fā)展前景和商業(yè)潛力[2]。

2.1 金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用

利用超疏水材料的防腐蝕特性，可將超疏水材料作為金屬涂層保護(hù)金屬。

SULTONZODA Firdavs等[5]用硬脂酸乙醇溶液處理后，鋁合金表面獲得了鋁與水在60 ℃下反應(yīng)形成的納米-微米二級粗結(jié)構(gòu)。另外，硬脂酸在鋁合金的表面上具有長的鍵合分支，從而形成致密的疏水性納米膜層。通過塔菲爾外推法分析通過這種單步浸沒法獲得的超疏水鋁合金，并且分析鋁合金表面具有耐腐蝕性。結(jié)果表明，與空白鋁合金樣品相比，超疏水鋁合金的腐蝕速率更低。這表明超疏水鋁合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性。

蘇瑩等[6]采用液相法，通過沉淀氧化鋅納米片與納米花，構(gòu)建了超疏水必要的粗糙結(jié)果，再浸泡硬脂酸得到超疏水氧化鋅不銹鋼材料。對成品進(jìn)行表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、潤濕性能、耐磨性能、油水分離性能等進(jìn)行表征與測定。結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)具有超疏水的性質(zhì)，以及其他的良好性能。

2.2 木材材料領(lǐng)域的應(yīng)用

易澤德等[7]采用甲基硅酸鈉(SMS)刻蝕 PDA涂層，進(jìn)一步采用十八烷基三甲氧基氯硅烷(OTS)對其進(jìn)行低表面能處理制備了穩(wěn)固型超疏水木材(Wood@PDA-SMS-OTS)。采用接觸角測定儀、SEM、XPS 分別對試樣進(jìn)行了表征。最終結(jié)果表明：經(jīng)此方法處理的木材不僅具有超疏水的性能還表現(xiàn)出耐強(qiáng)酸性還具備了耐堿性腐蝕的能力；Wood@PDA-SMS-OTS具有極強(qiáng)的有機(jī)溶劑耐受性。

2.3 自清潔領(lǐng)域的應(yīng)用

劉亞云等[8]以天然的自清潔超疏水材料—槐樹葉為研究對象，通過軟模板復(fù)制法制備了仿生刺槐葉材料，并用綠色生物蠟對復(fù)合正模板的表面進(jìn)行了疏水性改進(jìn)，獲得了具有優(yōu)異超疏水性的表面。經(jīng)過詳細(xì)表征：所生產(chǎn)的仿生角豆葉片材料具有超疏水性，低粘附性，150°或更大的靜水接觸角，以及6.6°的滾動角，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的自清潔功能。仿生洋槐葉片材料的優(yōu)異表面自清潔能力進(jìn)一步擴(kuò)大了超疏水材料在能源，環(huán)境，生物醫(yī)學(xué)和物理化學(xué)領(lǐng)域的潛在用途。并且該方法避免含氟低表面能試劑的使用，為環(huán)保超疏水材料的制備提供了新思路。

2.4 防覆冰領(lǐng)域的應(yīng)用

滕?？档萚9]利用超疏水材料較大的接觸角(一般大于150°)以及較小的滾動接觸角(一般小于10°)探究了超疏水材料的防覆冰性，它可以有效地促進(jìn)液滴在表面上的滾動和掉落，削弱冰和固體的附著力，從而抑制結(jié)冰行為。同時，超疏水氣墊結(jié)構(gòu)可有效減少冰與固體表面的接觸面積，使其更易于去除和排斥冰。進(jìn)一步的探究在其中加入一些相變儲熱材料或防凍試劑等可以賦予涂層的主動除冰性能，從而有效地提高涂層的防覆冰能力。結(jié)果表明：低表面能的超疏水材料經(jīng)改造后具有更強(qiáng)的防覆冰能力，并且具有良好的耐磨穩(wěn)定性。

3 超疏水材料的展望

隨著超疏水材料應(yīng)用在不斷增加，其弊端也逐漸被發(fā)現(xiàn)。通過多方考證發(fā)現(xiàn)超疏水性的原理是通過微/納米結(jié)構(gòu)附著在其表面，使得物體本體與外界的接觸面減小，所以這種微/納米結(jié)構(gòu)受到的局部壓強(qiáng)也會更大，從而更易磨損。這是超疏水材料消耗快速，造成其不穩(wěn)定性的主要原因[6]。在以往超疏水材料中，機(jī)械穩(wěn)定性和超疏水性成了此高彼低的局勢，所以如何增強(qiáng)超疏水材料的穩(wěn)定性成了未來超疏水材料的研究重點(diǎn)。

4 結(jié)語

目前絕大多數(shù)超疏水材料的制備工藝面臨如制備條件形勢嚴(yán)峻、生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜、工藝時間長、疏水效果不明顯等著諸多困難，這是導(dǎo)致其難以大量規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的原因，同時還應(yīng)該注意到一些工業(yè)產(chǎn)業(yè)對于功能性超疏水材料的需求，在這樣的形勢下我們應(yīng)該更加側(cè)重低成本，工藝易于實(shí)現(xiàn)的環(huán)境友好型超疏水材料的制備。相信在不久的將來，以綠色，環(huán)保原料為主導(dǎo)的超疏水材料將占據(jù)為市場的主導(dǎo)地位，其效能也將能夠完全滿足廣大人民和社會的需求。