超疏水表面材料

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。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、水黾的腿部以及蝴蝶的翅膀等（ 如图1所示） 。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。

 接触角

    固体和液体的相互浸润性，即亲水与疏水性一般用液相和固相的接触角θ 来表征。图2a 为液体滴落在固体表面所形成的固－ 液－ 气三相图。在固、液、气三相的接触点O 上沿着液相界面做气－ 液界面切线，切线与固－液相界面的夹角θ 就是其接触角（如图2a所示） 。

    由图2a 可知：如果固体表面是完全光滑平整的，则水滴在其表面上所形成的形状是由固体、液体和气体三相接触面的界面张力来决定的，接触角θ 可以用杨氏方程来表示，如公式（1） 所示：

滚动角

    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2b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。

超疏水表面材料在提高浮力方面的应用

    超疏水材料由于其特性，使人们很容易就会将它应用到提高船舶等的浮力上。传统的疏水材料所产生的浮力有限，并且由于制备工艺、成本和后处理工艺上较为复杂等原因，导致其无法大规模实际应用。在自然界中，水黾腿具有超强的疏水性，虽然自身重量很小但水黾能浮于水面上，主要还是靠它腿部上的超疏水结构。

    这种结构的作用使得水黾能产生约为自身重量的52 倍的浮力。由于单根腿的最大支撑力能达到528 达因，所以水黾能在水面上行走自如而不下沉。

    近年来，江雷、高雪峰等对水黾腿进行了深刻细致的研究，发现水黾腿表面定向排列着微米级针状刚毛，并且此类刚毛上有螺旋状纳米沟槽结构。这一独特的复合二级纳米结构是水黾腿超疏水性和高表面支撑力的根本原因。许多科研学者在水黾的启发下设计了新型超级浮力材料。如哈工大的潘钦敏博士等研制的新型超级浮力材料。该材料同样具有微纳米结构的表面，可改变船与水的接触状态，使船体表面在水中所受阻力更小。这种微型船在水面自由漂浮的同时可以承载比自身最大排水量多50% 的重量。该种材料的应用前景相当广泛，可开发疏水的船舶表面，提高其抗海水腐蚀能力，如果应用在潜艇的壳体表面则可减小潜水阻力及增加航行速度，节省能源。

超疏水表面材料在管道运输方面的应用

   天然气的管道运输因其传输距离远，线路可控设备投入较简单等优势已经成为陆上天然气资源的主要输送方式，但由于天然气中往往含有硫化氢、二氧化碳和水等腐蚀性物质，因而管道容易发生均匀腐蚀、坑蚀、电化学腐蚀、冲刷腐蚀等现象。由于管道内壁表面粗糙等的原因，天然气的传输效率也较低。针对上述问题，许多学者在这方面做了很多工作，如段雪等在铝及其合金表面上制备超疏水薄膜，使其防腐能力明显提高。郭海峰等用有机硅氧烷等混合液在天然气管道内表面喷涂，以制备超疏水膜进一步达到提高管道的耐腐蚀性能。卢思等课题小组把无序碳纳米管粘接在基材铝板表面以形成复合结构表面，然后用聚四氟乙烯修饰该复合表面上以形成一层超疏水PTFE 膜（ 如图5所示）在国外，许多铝、铁、碳钢等金属以及合金表面都会用超疏水膜来修饰，以提高其防腐蚀性。该方法可有效地运用在如管道气体、液体运输减阻等多方面，对降低运输能耗，提高输送效率有很大帮助，未来有较大的开发应用空间。

超疏水材料在织物及过滤材料方面的应用

    先前已经介绍过，采用静电纺丝法或者在材料表面进行处理可制备具有超疏水性的各种微纳米结构纤维。这类材料因具有超疏水性能，可用于制造防水薄膜、疏水滤膜以及防水透气薄膜等，或者使织物因疏水性能而具有防水、防污染、防灰尘等新功能。如美国NANOTEX公司采用纳米技术开发的Nano-care 功能型面料；德国巴斯夫（ BASF） 公司也将荷叶效应应用到纺织品上，开发出具有超疏水自清洁功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。而上海名列化工科技有限公司则开发出了MLCF系列多孔薄膜（ 如（ 图6）） 。该系列超疏水薄膜采用PTFE、PVDF 等作为基材并利用热覆及相转化法制成，其纤维结构呈纳米级的超细乱纤排布。由于构筑材料为PTFE 等低表面能材料，因此能应用于空气净化，油脂类的净化过滤，以及制药过程中的液体和胶体过滤等方面。

    超疏水材料在超细纤维制备、现有纤维或者织物的超疏水处理及制备分子级的纤维疏水过滤材料等方面都有十分广泛的应用，对纤维及纺织领域的应用功能拓展和更新换代有积极的推动作用。

超疏水材料在微流体控制方面的应用

    超疏水材料表面所具有的不浸润性及低表面粘滞力，使其在微流体控制应用方面也有十分出色的表现。比如控制微液滴的运动和流动，并以此制造微液滴控制针头，使得在实验或者生产过程中对液体滴加计量能够精确控制，实验试剂的添加将更得心应手。如果将这类技术运用到诸如静电喷涂领域，比如用超疏水材料制造喷漆喷胶等的喷头，将会使喷涂的液滴更加均匀，雾化效果更好，可以运用在对喷涂效果有特殊要求的场合。另外如果以这类材料制作毛细管类的材料，将会使液滴的虹吸量更少，可以制造体积更小精密度更高的液体传输设备。