超疏水材料的研究进展

郭升亮，田永庆，韩媛媛，李亮(西安培华学院，陕西 西安 710125)

0 引言

超疏水材料是一种新型材料，广泛应用于各个领域，用于在金属材料领域则具有保护作用，起到了耐腐蚀的效果。实验证明经过加工该材料也能起到自清洁及耐磨的能力。随着超疏水材料应用的增加，所面临的问题也在变多，其稳定性成了该材料发展的研究之重。

1 超疏水材料的简介

超疏水虽然是一种新型材料，但在自然界中，许多植物叶表面、鸟禽羽毛都具有超疏水性的特点，如蜻蜓的翅膀、池塘的荷叶等[1]。目前超疏水材料分为两大类：天然和人工合成。天然的超疏水材料大多来源于自然界的动植物，具有良好的相适应性并且易降解，具有亲水基团，对环境友好。人工合成的超疏水材料在天然超疏水的基础上完善了许多的劣势，所以目前市场上广泛使用的使人工合成超疏水材料。

1.1 纳米纤维素超疏水材料

余成华[2]以气凝胶基础，在其表面利用水热法，通过原位负载高分子磁性纳米粒，采用气相沉积法将磁性气凝胶疏水化并制备出具有磁性效应性纳米纤维素性气凝胶。将改变性质后的磁效应性纳米纤维素型气凝胶，用于含油废水的分离和有机溶剂吸附力的提升等，都可以表现出良好的吸附能力，这些高分子纳米颗粒不仅提供了磁效应的性能，还提高了气凝胶的粗糙程度。结果测得质量分数不同的TOCN，最后所制备得到的MGTCON气凝胶所接触的角度都大于150°，因此结果表明其表现出来疏水性能的高效性，

1.2 仿生超疏水材料

王青[3]以苯乙烯为基本聚合单体，采用简单方便且高效快捷的合成方法制备出有机/无机树莓状结构的微球。分别采用乳液聚合法和分散聚合法制备出粒径为微米级和纳米级左右的PS高精度微球。为制备出微球的阶层结构，可采用简单物理混合的方法，经过疏水化处理后的微球，可将其用于铜网的表面修饰，发现可以得到相同的高效油水分离特性的铜网，呈现出超疏水优良的特性。

1.3 绿色无氟超疏水材料

郗盼毅等[4]用模板法通过模板“镜像”效应，以新鲜荷叶为模板，聚二甲基硅氧烷(PDMS)为密封材料，使天然的竹材表面呈现出微纳米层次的乳头状凸起结构；涂覆法是将样品完全浸入含有低表面能材料的化学溶液中，然后进行干燥固化成型；电放技术是用聚合物溶液在电场库仑力的作用下被极度拉伸的情况下形成喷射出高速细流，随后落在基板上形成微/纳米纤维膜。

2 超疏水材料的应用

在各个领域，超疏水材料的应用不仅相当广泛而且有极大的进展。因其优异的超疏水性而具备防腐蚀、自清洁、防覆冰的性能，广泛运用于各个邻域，其中包括对金属材料、纺织材料、木材材料、生物组织、口腔医学等，由此可见超疏水材料有着巨大的发展前景和商业潜力[2]。

2.1 金属材料领域的应用

利用超疏水材料的防腐蚀特性，可将超疏水材料作为金属涂层保护金属。

SULTONZODA Firdavs等[5]用硬脂酸乙醇溶液处理后，铝合金表面获得了铝与水在60 ℃下反应形成的纳米-微米二级粗结构。另外，硬脂酸在铝合金的表面上具有长的键合分支，从而形成致密的疏水性纳米膜层。通过塔菲尔外推法分析通过这种单步浸没法获得的超疏水铝合金，并且分析铝合金表面具有耐腐蚀性。结果表明，与空白铝合金样品相比，超疏水铝合金的腐蚀速率更低。这表明超疏水铝合金具有优异的耐腐蚀性。

苏莹等[6]采用液相法，通过沉淀氧化锌纳米片与纳米花，构建了超疏水必要的粗糙结果，再浸泡硬脂酸得到超疏水氧化锌不锈钢材料。对成品进行表面形貌、晶体结构、润湿性能、耐磨性能、油水分离性能等进行表征与测定。结果表明：该结构具有超疏水的性质，以及其他的良好性能。

2.2 木材材料领域的应用

易泽德等[7]采用甲基硅酸钠(SMS)刻蚀 PDA涂层，进一步采用十八烷基三甲氧基氯硅烷(OTS)对其进行低表面能处理制备了稳固型超疏水木材(Wood@PDA-SMS-OTS)。采用接触角测定仪、SEM、XPS 分别对试样进行了表征。最终结果表明：经此方法处理的木材不仅具有超疏水的性能还表现出耐强酸性还具备了耐碱性腐蚀的能力；Wood@PDA-SMS-OTS具有极强的有机溶剂耐受性。

2.3 自清洁领域的应用

刘亚云等[8]以天然的自清洁超疏水材料—槐树叶为研究对象，通过软模板复制法制备了仿生刺槐叶材料，并用绿色生物蜡对复合正模板的表面进行了疏水性改进，获得了具有优异超疏水性的表面。经过详细表征：所生产的仿生角豆叶片材料具有超疏水性，低粘附性，150°或更大的静水接触角，以及6.6°的滚动角，同时表现出优异的自清洁功能。仿生洋槐叶片材料的优异表面自清洁能力进一步扩大了超疏水材料在能源，环境，生物医学和物理化学领域的潜在用途。并且该方法避免含氟低表面能试剂的使用，为环保超疏水材料的制备提供了新思路。

2.4 防覆冰领域的应用

滕福康等[9]利用超疏水材料较大的接触角(一般大于150°)以及较小的滚动接触角(一般小于10°)探究了超疏水材料的防覆冰性，它可以有效地促进液滴在表面上的滚动和掉落，削弱冰和固体的附着力，从而抑制结冰行为。同时，超疏水气垫结构可有效减少冰与固体表面的接触面积，使其更易于去除和排斥冰。进一步的探究在其中加入一些相变储热材料或防冻试剂等可以赋予涂层的主动除冰性能，从而有效地提高涂层的防覆冰能力。结果表明：低表面能的超疏水材料经改造后具有更强的防覆冰能力，并且具有良好的耐磨稳定性。

3 超疏水材料的展望

随着超疏水材料应用在不断增加，其弊端也逐渐被发现。通过多方考证发现超疏水性的原理是通过微/纳米结构附着在其表面，使得物体本体与外界的接触面减小，所以这种微/纳米结构受到的局部压强也会更大，从而更易磨损。这是超疏水材料消耗快速，造成其不稳定性的主要原因[6]。在以往超疏水材料中，机械稳定性和超疏水性成了此高彼低的局势，所以如何增强超疏水材料的稳定性成了未来超疏水材料的研究重点。

4 结语

目前绝大多数超疏水材料的制备工艺面临如制备条件形势严峻、生产技术复杂、工艺时间长、疏水效果不明显等着诸多困难，这是导致其难以大量规模生产应用的原因，同时还应该注意到一些工业产业对于功能性超疏水材料的需求，在这样的形势下我们应该更加侧重低成本，工艺易于实现的环境友好型超疏水材料的制备。相信在不久的将来，以绿色，环保原料为主导的超疏水材料将占据为市场的主导地位，其效能也将能够完全满足广大人民和社会的需求。