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超疏水材料发展趋势 引言 超疏水材料的制备方法 超疏水的基本原理 超疏水材料的应用 超疏水表面材料存在的问题及发展趋势 目录 一、引言 引言 在大自然中有着许多值得人类探索和学习的现象，人们把这类现象加以研究并运用到改善生产和生活中，统称为仿生学。 许多动植物的外表所具有的自清洁功能的现象，具有这类现象的最典型的例子就是出淤泥而不染的荷叶表面。自然界中许多动植物都具有这类功能，诸如鸟类的羽毛、水黾（min）的腿部以及蝴蝶的翅膀等。在宏观上这些组织或者器官均表现出水的极难浸润与挂壁。其原因在于它们的表面具有超疏水性的组成与结构，因此这类材料被称为超疏水性材料。 超疏水表面在日常生活用品、公共建筑、乃至国防航空等方面有着广泛的应用。另一方面，作为一种典型的界面现象，表面浸润性在界面化学、物理学、材料学、界面结构设计以及其它交叉学科的基础研究中也有极为重要的研究价值。由于其重要性，各行业、各领域的专家及科研人员都开始加入到这方面的研究和探索中，目的是将仿生学所得到的成果应用到改善我们的生产和生活中去，为大众服务。 目前，人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类:当接触角小于90°时，我们认为这种材料是亲水材料;如果水滴在材料表面的接触角小于5°，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水(体积比为7: 3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质;当材料表面接触角大于90°时，我们认为这种材料是疏水材料;如果材料的表面接触角大于150°，滚动接触角小于10°，那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150°，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。我们研究的重点是超疏水表面。 二、超疏水的基本原理 接触角是表征固体表面疏水性优劣的指标之一，通常情况下，在不完全润湿性表面会形成一个冠形液滴，如图所示。 当气、液、固三相接触达到平衡时，在三相接触的公共点处作液一气界面的切线，我们把此切线与固一液界面的夹角称为接触角(θ)。如果固体表面的接触角θ 90°，此表面描述为亲水性表面，90°θ150°为疏水性表面，150°θ175°为超疏水表面，I75°θ180°为极端疏水表面，而当θ=180°的表面称之为完全疏水表面。因此，用接触角就能比较直观、方便的来描述固体表面疏水性的优劣。 接触角 上面所描述的接触角所表征的是水滴在水平面上的表现，而现实中的平面往往不是水平的，更多的是斜面。水滴在倾斜表面上可能滚动或停滞，这种状态可以用滚动角进行表征。所谓滚动角是指液滴在固体表面开始滚动时的临界表面倾斜角度α( 如图所示) 。若液滴开始滚动的倾斜角越小，表明此表面的超疏水性越好。 在倾斜表面，在水滴即将滚落下的临界状态下，水滴前部和尾部形成两个不同的接触角θa和θr。接触角滞后值是这两个角的差值，可以用于表征固体表面所呈现出的亲－ 疏水状态。液滴的滚动特性随着该接触角的滞后值的上升而减弱。 综上所述，固体与液体的相互浸润性的好坏及其所表现出的亲－ 疏水性是由接触角和滚动角两者共同表征。接触角越大和滚动角越小说明材料表面的疏水性越强。 滚动角 模板法 电化学方法 化学刻蚀法 化学气相沉积法 其他方法 三、超疏水材料的制备方法 模板法 这种方法是一种来自于化学仿生学中制备纳米材料的方法，它的基本思想就是以某种粗糙的微纳米结构固体表面为基底，然后将易软化材料在它的表面固化，之后就能得到和基底表面反向印相信息的粗糙纳米结构;有的也以有机分子或它的自组装体系作为模板剂，在某种溶剂中，经过范德华力、离子键与氢键等协同作用下，模板剂就会对游离在溶剂中有机前躯体进行一定的引导，这样就能得到有序具有纳米结构的粒子或薄膜。江雷等用模板法，合成了聚乙烯醇和聚丙烯腈的纳米纤维序列膜，就是采用多孔氧化铝作为模板，这种纳米纤维序列膜接触角值能高达173.8°。 金美花等也是利用多孔氧化铝为模板，有机高分子聚合物在多孔氧化铝的模板中孔道的内壁上附着，得到了聚苯乙烯的纳米阵列薄膜，这种膜的静态接触角达到162 °。 模板法不需要复杂加工设备，模板可以使用多次，但也有不足之处，如复杂形状的表面用模板法制备较困难且效率低;用PDMS复型得到的软模板力学性能不佳，在使用过程中会出现坍塌、撕裂或粘连等现象，复型难以达到精确控制，无法复制精度小于50nm的微细结构。目前，用模板法制备超疏水表面以聚合物超疏水表面为