超疏水-超疏油表面的研究进展

代学玉，汪永丽，高兰玲

(兰州石化职业技术学院石油化学工程学院，甘肃 兰州 730060)

与水和油的接触角都大于150°的表面称为超疏水-超疏油表面。超疏水、超疏油是固体表面的一种特殊现象，主要与表面的粗糙度和化学组成有关系。超疏水-超疏油表面因具有自清洁、耐腐蚀、低摩擦、减阻和抗粘附等优异特性，在工业、农业生产和人们的日常生活中都有广阔的应用前景。例如，将具有超疏水-超疏油的表面材料用于船舶外壳和燃料储罐，可以达到防污和防腐的效果；用于输送石油的管道中，可以防止石油粘附在管壁上，从而减少运输过程中的损耗和能耗，并防止管道被堵塞；用于纺织品中，可以用来做防水、防污的具有自净性质的服装等。

超疏水-超疏油表面的制备一直备受国内外研究者的广泛关注，其制备方法有很多，人工制备该表面的关键是构建合适的表面几何形状，即表面粗糙度。本文将介绍超疏水-超疏油表面的研究进展。

Tsujii等[1-2]首先报道了超疏油表面的制备方法，他们通过阳极氧化对金属铝表面进行电化学处理，以获得具有分形结构的氧化铝粗糙表面，然后在表面上对其进行改性，用正氟烷基磷酸酯进行修饰，制得与植物油的接触角约为150°的超疏油表面，油滴在表面上很容易滚动而没有任何黏附；该表面与水的接触角约为160°，使其又具有超疏水性。宋金龙等[3]在铝基底上通过电化学和化学加工技术制备出了具有超疏水-超疏油的表面，经过电化学和化学处理后的铝基底表面是由微米级的矩形凸台铝结构和纳米级的针状氧化铝结构组成，使该表面具有微纳米复合结构；该样品表面在氟化处理之前具有超亲水-超亲油性，而通过氟化处理后，水、甘油、花生油和十六烷在样品表面的接触角分别为166.6°、164.7°、160.1°和157.7°，滚动角分别为2.0°、2.0°、4.0°和3.5°，使该表面具有超疏水-超疏油性；其中，微纳米粗糙结构的制备和表面能的降低，是该铝样品表面获得超疏水-超疏油性的必要条件。Xi等[4]通过电化学沉积法在Cu、Ti、Fe、Zn、Al和Sn基底上分别制备了超疏水表面，制备过程中形成的微纳米分等级结构使这些表面即使浸泡在腐蚀性溶液，如酸、碱、盐溶液中，仍具有良好的超疏水性；此外，这种方法还可以用于制备超疏水、超疏油表面。张方东[5]以锌为基底，通过控制电化学刻蚀参数，制得了具有不同微观形貌的锌表面，当用氟硅烷乙醇溶液对制得的类似于荷叶微观形貌的表面进行修饰改性后，表面具有超疏水性；而用全氟辛酸乙醇溶液对制得的凹角结构或悬臂结构组成的表面进行修饰改性后，表面呈现超疏油性。

包晓慧[6]以碳化硅颗粒增强铝基(SiC/Al)复合材料为基材，利用刻蚀法制备了超疏水-超疏油表面，他们用Beck试剂对SiC/Al复合材料进行化学刻蚀，当经历较短的刻蚀时间(5s)后，SiC/Al复合材料表面呈现出由微米级粒状和纳米级凹坑复合而成的微纳米复合结构，表面经修饰后，具有超疏水性，接触角可达165.7°、滚动角为3°；而用较高的电流密度(6A/dm2)刻蚀SiC/Al复合材料，其表面呈现出由微米级粒状和纳米级颗粒状和波鳞状复合而成的微纳米复合结构，制得水接触角为160.7°、滚动角为4°的超疏水自清洁表面；采用电化学刻蚀-沸水浸泡的方法处理后的SiC/Al复合材料表面布满了纳米级线状结构，而随着刻蚀时间的增加，表面的纳米级线状结构更加密集，制得水接触角为161.2°、滚动角为2°，油接触角为155°的超疏水-超疏油表面；与纯铝相比较，使用SiC/Al复合材料更容易制备出具有超疏水-超疏油的表面，而且所制备的表面具有更好的耐热冲击能力。

Hoefnagels等[7]通过将二氧化硅颗粒引入棉线，以形成分等级的粗糙结构，然后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行疏水化处理，在棉纺织品上制备了超疏水、高疏油性表面，棉线从亲水性变为超疏水性，其静态水接触角增加到155°；若用氟硅烷将该棉线再进行修饰改性，则所得到的棉纺织品表面具有超疏水性和高疏油性，其中油接触角为140°。Xie等[8]利用溶剂蒸发过程中聚合物的自聚集、表面张力和相分离的原理，在室温和大气条件下，用一步熔融聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和端基为氟的聚氨酯(FPU)混合溶液直接成膜，制备类似于荷叶微纳米复合结构的聚合物表面，制得具有超疏水和高疏油性的仿生涂层，水和油在涂层表面上的接触角分别为166°和144°、而滚动角仅为3.4 ± 2.0°，水滴可以在表面上自由滚动，具有类似于荷叶表面的自清洁效应；此外，该仿生表面还具有类似于荷叶的自修复功能，仿生表面的最外层在受损的情况下仍然能保持其超疏水性和自清洁的功能。朱小涛[9]首先采用热压的方法制备了碳纳米管/聚乙烯和铜/聚乙烯复合材料，然后在该表面沉积纳米银形成微纳米表面等级结构，再经氟化硫醇修饰后，复合材料的表面具有超疏水和超疏油性，水和油在该表面的接触角都大于150°，而且极容易从表面滚落；当表面的超疏水和超疏油性遭到破坏时，经过简单的修复后，表面又能恢复原来超疏水和超疏油性。Li等[10-11]成功地制备了具有超疏水-超疏油性的阵列碳纳米管膜，未经任何修饰改性时，膜的表面具有超疏水性，与水的接触角为158.5°；当通过低表面能材料氟硅烷修饰改性后，膜表面呈超疏水-超疏油性，与水的接触角可以达到171°，而与植物油的接触角为161°。

超疏水-超疏油表面的制备虽然已经取得了很多的研究成果，然而目前仍有一些重要的问题需要解决，例如，如何使制备过程简单化、易于实现工业化生产、制备出的表面具有良好的稳定性、工作寿命长、可靠性高等，这些都是当前研究的重点。