自然界的超疏水現象 “荷葉表面具有極強的疏水性，灑在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的”荷葉自潔效應“「見下圖1」。

    圖1 自然界的荷葉 疏水表面現象

    科學家發現，荷葉表面具有微米級的乳突，乳突上乳突上有納米級的蠟晶物質，這種微-納米級的粗糙結構可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導致水滴極易滾落「見下圖2」。

圖2 荷葉表面微觀結構

    水滴在超疏水表面上的運動是一個復雜的物理現象，在自清潔過程中起到了一個至關重要的作用：水滴在表面滾動時會帶走表面的污染物或灰塵，從而達到自清潔的效果「見下圖3」。

圖3 超疏水表面自清潔原理示意圖

    當然這些現在也存在于很多其他生物身上「見下圖4」；科學家們研究這些生物及模仿這些生物現象，制備出了許多超疏水產品并得到了許多的應用（詳見后文介紹）。

圖4 自然界中具有超疏水性的動植物及其掃描電子顯微鏡（SEM）

圖（a,b）荷葉；（c,d）水稻葉；（e,f）水黽腿[3];（g,h）孔雀羽毛[5,6];

（i,j）壁虎腳掌[7];（k,l）蟬翼[9];（m,n）蝴蝶翅膀[10];（o,p）蚊子復眼[13]

    下文將為大家簡單介紹超疏水自清潔的原理及一些超疏水表面的應用例子。

    自清潔表面指表面的污染物或灰塵能在重力或雨水、風力等外力作用下自動脫落或被降解的一種表面，基于超疏水原理的自清潔表面主要是指接觸角CA150°、滾動角SA＜10°的類荷葉表面「見下圖5（d）」。

    圖5 不同表面水滴接觸界面狀態

    常見超疏水表面制備現狀

    人工制備超疏水表面雖然時間不長，但發展特別迅速，有效的制備方法也越來越多，主要有模板法、靜電紡絲法、相分離與自組裝法、溶膠-凝膠法、刻蝕法、水熱法、化學沉積與電沉積法、納米二氧化硅法、腐蝕法等。

    目前人工超疏水表面主要包括超疏水薄膜表面、超疏水涂層表面、超疏水金屬表面及超疏水織物等方面。

    工藝舉例：超疏水涂層玻璃用十七氟癸基三甲基硅烷改性過的納米碳酸鈣與聚乙烯溶液混合涂敷于玻璃表面制得超疏水涂層，接觸角可達到155 ，同時研究了該表面的抗灰塵能力。當黑煙末粉體粘在表面時很容易被水滴帶走「見下圖6」。

    圖6 超疏水表面

    超疏水表面的應用

    a、超疏水涂層在自清潔玻璃、電力桿的應用

    超疏水涂層工藝①：聚苯乙烯和納米硅顆?；旌现瞥扇苣z，然后采用浸漬涂布發涂布成膜，最后再高溫處理得到具有微-納山峰結構的超疏水透明表面，該表面與水的接觸角高達160°。

    超疏水涂層工藝②：用層自組裝技術先在玻璃基底上組裝一層聚季銨-SiO2/聚丙烯酸，再在上面組裝聚烯丙基胺鹽酸鹽/SiO2，煅燒后除去聚合物，再用氟化烷基硅醇修飾后得到透明的超疏水涂層。

    自清潔玻璃可以在雨水沖刷下迅速帶走玻璃幕墻上的塵埃物質，可以有效保持外墻 ”顏值“及減少玻璃幕墻的清理時間及工作人員的室外高空工作的危險性。但成本相對而言也不小。

 圖7 傳統玻璃高空清理

    2008年突降的大雪（實際上是凍雨遇到溫度低的物體結冰壓倒的電線），壓斷了許多沒有防備的南方高壓線塔，若在電力桿容易積壓積雪的位置做疏水處理，可大量減少積雪堆積對高壓線塔的破壞也減少偏遠高壓線的維護難度。

    圖8  被冰壓倒的高壓線塔

    將疏水性涂料涂于輸電導線外部、電力桿塔，絕緣子等表面，可降低冰在涂層表面的附著力，雖不能完全防止冰的形成，但可使凍雨和雪等凍結到導線或絕緣子之前就在自然力，如風力或導線及絕緣子的擺動力等的作用下自然滑落，或使冰或雪在導線和絕緣子上的附著力明顯降低，以達到防止覆冰，減少線路因覆冰出現事故。

    圖9 正在檢查清理高壓線積雪的工人

    b、超疏水織物

    超疏水織物工藝①：用溶膠-凝膠法在基材上制得透明的氧化鋁薄膜，該薄膜經沸水中浸泡、干燥和煅燒等工藝處理后可得到具有花瓣狀結構的粗糙表面，最后經十七氟癸烷基三甲氧基烷修飾，可制得透明超疏水表面。

    超疏水織物工藝②：用等離子體聚合的方法，在棉纖維上聚合含有氟烯烴，得到具有超疏水性的表面。

圖10 防水防污 網紅超疏水襯衫

圖11 左邊白色為普通材質  右邊藍色為超疏水材質

    輕松告別紅酒、咖啡、墨水等污漬，簡直手殘黨的福音。媽媽再也不用擔心我衣服臟。

    c、疏水金屬

    超疏水金屬表面工藝：采用位錯刻蝕劑對鋁、銅、鋅集體表面進行化學刻蝕，然后用氟烷基硅烷對刻蝕后的表面進行疏水化處理得到接觸角大于150°的超疏水金屬表面。

    超疏水表面除了賦予金屬自清潔能力了外，還能在一定程度上降低金屬的腐蝕效率。因制備超疏水金屬材料材料方法存在一定不足，目前應用受到了一定程度的限制。

圖12 金屬超疏水表面

    d、電子產品的疏水處理-防水手機等

    說到防水手機領域， 不得不提的國家是日本。有一句話是這樣說的”在日本，手機沒有防水功能那就根本賣不出去。“那是因為日本女性在沐浴時，都是機不離手，作為智能手機的重要用戶群，逼迫了這個國家生產出一系列一系列的防水手機。

圖13 索尼防水手機

    大多數人認為，防水手機依然密封性達成防水能力，實際上，許多日系防水手機外光上與普通手機沒啥區別，甚至連橡膠塞都沒有，但是依然具備防水功能。這樣的手機具備防水功能，除設計等因素外，多歸功于其內部防水處理。將智能手機內部主板等零部件包裹在一層特殊的薄膜內達到防水效果，避免手機進水引起短路。

 圖14 電子產品

    結語

    超疏水自清潔涂層雖已有工業化應用，但是超疏水性能的穩定性和持久性還有待提高，特別是耐水壓沖擊性能還有待研究，以防止經暴雨沖刷后破壞表面結構（如將微塵嵌入微納坑內），降低超疏水性能。另外，現有的超疏水涂層功能比較單一，如果能在其中摻雜其它功能性粒子，則可大大擴大超疏水涂層的應用范圍。

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責任編輯：王元

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