刘书基 庄登铭 朱啟永 李云腾 李保

摘 要：超疏水表面是指与水的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面[1]。自20世纪70年代植物学家巴特洛特发现"荷叶效应"（Lotus Effect）以来，这一现象就引起了广泛关注。随着不断地深入研究，人们发现大自然中许多动植物都具备这种固体表面与液体不润湿的特性，1997年C.neinhuis和 W.barthlott [2]的自清洁研究，极大的推动了这个研究进程。如今，在不断地的研究和实验下，研究者们已经意识到了超疏水表面所具备的实用价值和发展前景，也提出了许多制备方法。当然，不同材料的性质差别很大，应用到材料表面的工艺也不尽相同。关键词：超疏水表面；制备方法1超疏水表面的基本理论如图所示，在自然条件下固体、液体与气体达到三相平衡，沿着液、气界面做切线，此切线与固、液界面的夹角称为接触角θ。 当θ=0°时，可以完全润湿，即液体在固体表面上自由铺展；当0°<θ<90°时，润湿效果随角度增加而变差；当θ≥90°时，则因润湿张力小而基本不润湿；当θ=180°时表示完全不润湿。科学家们通过研究指出，超疏水表面是指水滴在其上的接触角大于15O°，滚动角小于1O°的表面。超疏水表面具有自清洁、抗玷污、减阻减摩、抑制表面腐蚀等特性，具备稳定超疏水表面的材料可应用于众多领域[3]。通过研究发现，超疏水表面的性能优劣在于两个关键因素：表面化学组成和微观几何结构[4]。而制备超疏水表面的各种工艺方法也都围绕这两个关键因素展开，其大致也可分为两类：一种是在具有低表面能的材料表面上构建微纳米级的粗糙结构；另一种则是在已成型的粗糙表面结构上修饰低表面能物质。而随着不断地发展，这两种方法逐渐趋向于同时应用。在这些理论基础和已有工艺上，我国制备超疏水表面的研究也取得了很大进展，下面将介绍几种国内外常见的超疏水表面的制备方法及其特点。2超疏水表面的制备方法2.1刻蚀法刻蚀法是一种制备超疏水表面的常用方法，分为物理刻蚀和化学刻蚀，通常又分为激光刻蚀、化学刻蚀、等离子刻蚀等几种微刻蚀方法。无论是物理刻蚀还是化学刻蚀，均是通过一定工艺对材料的表面进行加工，从而构建起微纳米级的粗糙表面结构，使其接触角变大，获得一定的超疏水性。Mccathy等[5]采用平板印刷与激光刻蚀的方法，结果发现蚀刻深度与阵列间距对接触角的大小有直接影响。刻饰法可以对表面结构进行较为精确的操作和设计，从而调控表面的疏水性，但是成本较高且不宜大面积制备。2.2化学/电化学腐蚀法超疏水表面可以通过化学腐蚀法或电化学腐蚀法制备，而用化学/电化学腐蚀法制备则综合了两者的优点。在张芹等[6]提出的这种快速制作方法中，分两步进行：首先使用化学腐蚀法使铝基表面得到微米级粗糙结构，然后再进一步用电化学腐蚀法使其形成纳米级粗糙结构。这种方法有效增大了其接触角，而且大大节省了时间（提高了1-2个数量级），利于实现工业化大规模制造。2.3溶胶–凝胶法溶胶–凝胶法是利用含高化学组分的化合物做前驱体进行水解在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，进一步缩合形成稳定的凝胶，最后干燥凝膠，从而制备出分子乃至纳米亚结构的材料。在万勇等[7]采用的溶胶–凝胶法制备超疏水薄膜后，他们再利用长链脂肪酸对薄膜进行疏水改性， 在金属铝表面构筑了具有较强减摩性能的超疏水薄膜，结果显示， 此种表面既具有超疏水性，又具有一定的减摩性能。虽然溶胶–凝胶法也是一种常用的制备方法，但是存在一些制备工艺路线比较长、得到的表面结构可控性差和有溶剂污染等缺点 [8] 。2.4组合法这是一种制备高稳定超疏水表面的方法，是由国内张全生等[9]正在自主申请的一项国家发明专利。它首先在室温条件下用丙酮乙醇进行超声清洗铝基表面，之后进行碱蚀和酸蚀（腐蚀前要用去离子水冲洗）；然后在特定的电极和介质中进行电解形成表面薄膜并进行氨水腐蚀；最后将材料放入特定混合液中浸泡10-30小时，就可以得到铝基超疏水表面。这是一种利用多种工艺的组合方法，工艺步骤略为繁琐，但具备良好的超疏水性和自清洁功能，并且具有良好的防腐蚀性。3 总结与展望以上简要介绍了一些国内外制备超疏水表面制备的常用方法，每个方法都有其自身的特点和局限性。超疏水表面的优良性能也不断吸引着越来越多的科研工作者进行超疏水的研究。但超疏水研究的起步较晚，尽管超疏水表面的研究已经取得了喜人成果，理论研究也日趋成熟，但应用方面还难以普及，在超疏水表面的实际应用上还需克服一道道难关。但是，相信随着科研人员的不断努力，超疏水表面材料最终将实现工业化生产，广泛应用于军事、航空、建筑等各个领域。参考文献：[1] Masashi Miwa ， Akira Nakajima ， Akira Fujishima A. Effects of the surface roughness on sliding angles of water droplets on superhydrophobic surfaces[J]. Langmuir（IF4.187）， 2000，Vol.16（13）：5754-5760.[2] C.neinhuis， W.barthlott. Characterization and Distribution of Water-repellent， Self-cleaning Plant Surfaces[J]. Annals of Botany ，1997，79（6）： 667-677.[3] 徐文骥，窦庆乐，孙晶等.基于电化学加工方法的铝基超疏水表面制备技术研究[J]. 中国机械工程，2011，22（19）：2354-2358.[4] BARTHLOTT W，NEINHUIS C. Purity of the sacred lotus，or escape from contaminayion in biological surfaces[J]. Planta，1997，202（1）：1-8.[5] Didem ？ner ， Thomas J. McCarthy. Ultrahydrophobic Surfaces. Effects of Topography Length Scales on Wettability [J].Langmuir（IF 4.187）， 2000， Vol.16 （20）：7777-7782[6]

张芹，朱元荣，黄志勇.化学/电化学腐蚀法快速制备超疏水金属铝[J].高等学校化学学报，2009，30（11）：2210-2214.[7]

万勇，张泉，李扬. 溶胶–凝胶法制备超疏水性薄膜摩擦学性能的研究[J].无机材料学报，2015，30（3）：299-304.

[8]

陈恒真，耿铁，张霞，张平余. 超疏水表面研究进展[J].化学研究，2013，24（4）：434-440

[9] 张全生，张建辉，雷天辉，程素贞，尹佳佳，马可，黄海军，贾李李，张伟. 一种构造高稳定超疏水铝表面的方法：中国（实质审查阶段）