表面浸潤性是固體表面的一項重要特征，通常以接觸角來表征液體對固體的浸潤程度。一般來說，固體表面與水的接觸角大于 90°時稱為疏水表面，大于 150°時稱為超疏水表面； 小于 90°時稱為親水表面，小于 5°時稱為超親水表面。

    自潔涂料通過改變玻璃、陶瓷、金屬或塑料等基材的表面性能，防止在其表面附著小水滴，從而達到自潔效果。根據作用原理，自潔涂料可分為兩類： 一類是建立超疏水表面，使水滴滾動滑落把污染物沖走以達到自潔效果； 另一種是建立超親水表面，當水滴接觸到涂膜表面時會迅速鋪展形成均勻的水膜，在重力作用下流走，這樣就能有效帶走污漬，從而保持表面清潔。

    自潔涂料的研究長期以來受到國內外涂料行業的關注。本文對近年來超疏水自潔涂料的研究進展進行了總結，并指出未來的發展方向。

    1 超疏水表面產生的機理

    科學家在對各種動植物表面進行研究后發現，自然界存在各種超疏水表面，最典型的是荷葉表面，具有自潔功能，可以 “出淤泥而不染” 。德國植物學教授 W. Barthlott 等人在對荷葉表面進行研究后發現，荷葉表面存在蠟晶和無數的微米尺寸的乳突，他們認為荷葉的自清潔特征是由粗糙表面上微米結構的乳突和蠟晶共同引起的，并首次提出了 “荷葉效應”的概念。

    江雷在 W. Barthlott 等人研究的基礎上發現，在荷葉表面微米結構的乳突上還存在納米結構，并認為這種微米結構和納米結構相結合的階層結構是引起表面超疏水的根本原因，由此產生的疏水表面具有較大的靜態接觸角和較小的滾動接觸角。

    國內外大量關于超疏水表面作用機理及制備方法報道均表明，低表面能和微米 － 納米微觀結構的共同作用賦予了表面超疏水性能。

    2 超疏水表面的制備方法

    通過前面的敘述可知，超疏水表面可通過構建微米 － 納米結構的粗糙表面和用低表面能物質修飾材料表面兩種方法來獲得。

    材料的表面能越低，其疏水性越強。目前常用的低表面能物質有兩種，一種是有機硅，另一種是有機氟。有機硅價格低，應用廣，具有良好的疏水性； 而有機氟是目前報道的表面能最低的物質。然而，即使具有最低表面能的光滑平面，其對水的接觸角也只能達到 119°。有機氟和有機硅都具有良好的低表面能，應用時須綜合考慮二者的優點。

    固體表面的浸潤性不但受表面化學成分影響，而且還受表面粗糙程度的控制。制備超疏水表面需要構建微觀粗糙表面與接枝低表面能物質的協同作用。目前，制備超疏水表面的方法主要有： 溶膠 － 凝膠法、相分離法、模板法、蝕刻法、化學氣相沉積法、自組裝法等等。

    2. 1 溶膠 － 凝膠法

    該法是用含有高活性化學組分的化合物作前驅體，在液相下均勻混合，并進行水解、縮合反應，在溶液中形成穩定的溶膠體系； 溶膠經陳化，膠粒間緩慢聚合，形成凝膠； 將配置好的凝膠通過浸漬 － 提拉、旋涂或噴涂等方法涂布到基材表面，再經干燥和熱處理，制成超疏水表面。

    A. V. Ｒao 等人以甲基三甲氧基硅烷為前驅體、甲醇做溶劑、氨水為催化劑，通過水解縮合反應制成 SiO ₂ 氣凝膠，其涂膜對水的接觸角達到 173° 。

    Q. F. Xu 等人在顆粒直徑為 60 nm 的硅溶膠中加入 γ － 氨丙基三乙氧基硅烷，縮聚后在玻璃基片上鍍膜、干燥，硅凝膠顆粒聚集為微米突起，形成類似于荷葉表面的結構，涂膜的靜態接觸角大于 155°，滾動角小于 2°，且具有良好的熱穩定性。

    B. Hulya 等人在室溫下以甲基三乙氧基硅烷為原料，經過水解、縮聚、陳化等過程，制備了接觸角為 179. 9°，且具有良好透明性、彈性以及熱穩定性的超疏水有機硅氣凝膠薄膜，在500℃下也能保持良好的超疏水性。

    S. S. Latthe 等人以甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯為原料，在室溫下采用該技術合成了多孔二氧化硅薄膜。該薄膜的靜態接觸角高達160°，而滾動角則低至 3° 。

    2. 2 相分離法

    相分離法是通過溶劑揮發或其它條件，使本來不相容的兩組分產生宏觀兩相分離，形成疏水－ 親水雙微觀區域或一定的間隙。

    A. Nakajima 等人利用有機相和無機相的相分離現象、結合膠體 SiO ₂ 粒子的填充作用、通過在正硅酸乙酯中添加丙烯酸聚合物，得到了具有坑狀結構的粗糙表面，將由于相分離產生的約800 nm 的粗糙度和由于膠體 SiO ₂ 粒子所產生的約 20nm 的粗糙度有機結合起來，形成雙微觀結構，該表面經氟硅烷修飾后形成高硬度的透明超疏水性薄膜。

    2. 3 模板法

    模板法是將低聚物熔融液或溶解液澆鑄在類荷葉微觀結構表面，或通過具有類荷葉微觀結構表面的模板壓印聚合物薄膜生成超疏水表面。

    馮琳等人以多孔氧化鋁為模板，制備了聚丙烯腈納米纖維； 利用該法還制得了聚乙烯醇的納米纖維。金美花等人也以多孔氧化鋁為模板，得到了聚甲基丙烯酸甲酯 （ PMMA） 陣列納米柱膜。

    2. 4 蝕刻法

    蝕刻法是利用激光、等離子體等在基材表面蝕刻出雙尺度微觀結構的超疏水表面。

    鄭傲然等人用激光在玻璃上加工同時具有微－ 納米微細結構的硬模板，再通過澆注聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 和固化劑來制作彈性模板，彈性模板復制了硬模板的紋理； 最后，將 PDMS 聚合物澆注在做好的彈性模板上，經烘烤、交聯固化后，聚合物表面形成與源模板類似的微納米結構圖案的超疏水表面材料。經檢測，該軟刻蝕光柵樣品表面與水的接觸角在 150° 以上。

    2. 5 化學氣相沉積法

    該法是使含有一種或多種化合物的氣體與基材表面發生氣相反應生成超疏水表面。

    K. K. S. Lau 等人在氧化的單晶硅表面燒結一層 Ni 晶體島； 然后在 Ni 晶體島上生長碳納米管 （ VACNTs），再用熱絲化學氣相沉積法在VACNTs 表面用聚四氟乙烯進行低表面能修飾，得到具有超疏水表面的垂直陣列 VACNTs 。

    鄧濤等人用類似于化學氣相沉積的方法在硅晶片上制備了排列致密的納米線結構。

    2. 6 自組裝法

    自組裝法是通過分子間相互作用和靜電作用，層層吸附沉積生成超疏水表面。

    李杰等人采用層層組裝法將 1 H，1 H，2H，2H － 全氟癸基三氯硅烷沉積到經微弧氧化后的鎂 － 錳 合 金 板 基 材 上，制 成 靜 態 接 觸 角 為156. 4°、滾動角小于 5° 的超疏水表面。B.Javier 等人采用層 － 層沉積法，將兩種不同粒徑的二氧化硅溶膠（20 nm和 7 nm） 與聚丙烯胺鹽酸鹽和聚苯乙烯磺酸鈉復合，制成靜態接觸角160°、滾動角小于 10°的透明超疏水薄膜。張連斌等人將聚二烯丙基二甲基氯化銨與硅酸鈉交替層 － 層沉積在有微米尺度 SiO ₂ 球體涂覆的基材上，經過含氟硅烷偶聯劑的修飾后，獲得靜態接觸角為 157. 1°、滾動角為 3°的超疏水表面。

    3 超疏水自潔涂料的耐久性問題

    超疏水表面結構在使用過程中會發生腐蝕以及磨損等損壞，而長時間光照射和污染物的積累也會導致超疏水表面性能的降低。荷葉表面由于其自身的新陳代謝而可保證其超疏水自潔性能的長期有效； 然而模仿這種生物新陳代謝是非常困難的，人工構建的自清潔表面很難實現自清潔效果的再生恢復，這也使超疏水表面涂膜的應用受到限制。

    周樹學等人開展了超疏水表面再生恢復的研究。他們以三乙氧基硅基封端的氟化聚甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物為成膜樹脂，與納米 TiO ₂ 粒子復合，采用 3 － 氨基丙基三乙氧基硅烷為固化劑，在室溫下制備了力學性能優異的超疏水涂層。研究表明，當 TiO ₂ 納米粒子質量分數在 35% 以上時，涂層表面水接觸角高于150°、滾動角小于 10°，呈現出良好的超疏水自潔性質； 且有較好的光催化分解污染物的能力和超疏水紫外光輻照恢復性能。

    4 結語

    制備超疏水表面必須構建微 － 納米微觀粗糙結構； 然而，目前多數技術都存在對設備和工藝要求過高等問題，不適合大面積疏水表面的制備，這些因素限制了超疏水涂料的工業化應用。

    由于超疏水自潔涂料具有防水、防霧、防雪、防污染、抗粘連、抗氧化、防腐蝕等優點，可廣泛應用于農業、軍工、建筑、交通、紡織、醫療、防腐及日常生活等領域，因此這種涂料未來仍將會獲得深入的研究和開發，而解決其耐久性和涂裝工藝問題必將是這類涂料研發的主要方向。

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