收稿日期：2013 － 12 － 24 基金项目：国家自然科学基金（ 21376145 ） 、 教育部霍英东教育基金会高 等院校青年 教 师 基 金 （ 131108 ） 及 陕 西 科 技 大 学 科 研 创 新 团 队 项 目 （ TD12 － 03 ） 。 女， 教授， 博士， 主要研究方向为：有机无机纳 作者简介：鲍艳（ 1981 － ） ， 米复合功能化学品的研究 。 Email： majz@ sust． edu． cn。 通讯作者：马建中，
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超疏水表面的构筑及其研究进展 （ 一） 印 染（ 2014 No． 9 ）
1． 1 单重粗糙结构的构筑 在基底表面构筑单重粗糙结构主要是通过在基体表面引 棒状、 线状和管状 入（ 或生成） 不同形貌的无机粒子（ 如球形、 等） 构筑而成的。 1． 1． 1 通过球形无机粒子构筑
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前言
近年来， 超疏水表面因其独特的表面润湿性能引起了国内 。所谓超疏水表面一般是指与水的静
外研究者的广泛关注
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表面微观粗糙结构的构筑
对于光滑表面， 即使是采用表面能最低的全氟化合物进行
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滚动角小于 10° 的表面。自然界中不乏超 态接触角大于 150° ， 疏水表面的实例， 如素有“出淤泥而不染 ” 美誉的荷叶就充分 显示其优异的超疏水和自清洁功能 。 此外， 还有水稻叶、 水黾 的腿、 蝉翼等。研究者通过对上述超疏水表面实例进行微观结 构和化学组成分析， 发现这些特殊性质是因其表面的微观粗糙 结构和低表面能物质共同引起的 。基于大自然的启发， 超疏水 表面的构筑可通过两条途径来实现：一是直接在疏水性材料表 面构筑微观粗糙结构；二是对微观粗糙结构表面进行低表面能 物质修饰。 本文综述超疏水表面微观粗糙结构的构筑 、 疏水化改性方 法及近年来超疏水表面的研究热点等， 并对超疏水表面未来的 发展进 行 了 展 望， 以期从不同角度加深对超疏水表面的
Construction of super hydrophobic surface and its developing trend（ I）
2 BAO Yan1 ，ZHANG Xiaoyan1 ，MA Jianzhong1， ，LU Juan1
． College of Ｒesource ＆ Environment，Shaanxi University of Science ＆ Technology，Xi＇an 710021 ，China； 2 ． Key ( 1Laboratory of Auxiliary Chemistry and Technology for Chemical Industry，Ministry of Education，Xi＇an 710021 ，China ) Abstract： Due to its excellent selfcleaning，anticorrosive and antidrag properties，superhydrophobic surface has become a hot spot both at home and abroad and been used for selfcleaning architectural coatings，anticorrosive materials for boat and fluid transfer． In this paper， the two main factors of rough microstructure and hydrophobization in the fabrication of superhydrophobic surface are reviewed． The current topics and prospects of this field are also discussed． Key words： super hydrophobicity； surface； rough microstructure 认知和理解。
nm 的二氧化硅溶胶， 采用氟硅烷对所得的二氧化硅溶胶进行 改性， 得到单分散的二氧化硅改性溶胶， 将改性的溶胶通过旋 转涂饰法涂饰到铝合金表面， 获得超疏水涂膜。 由于以水作为 溶剂制备二氧化硅溶胶， 可避免传统 Stber 法制备二氧化硅溶 Xu 等 胶时大量使用有机溶剂， 实 现 了 清 洁 化 生 产， 因 此，
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（ a） 耐磨测试前 图2
Fig． 2
（ b） 耐磨测试后
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织物摩擦测试前后的 SEM 图像
在十二烷基苯磺酸钠和氨水存在下水解甲基三甲氧基 硅 烷 （ MTMS ） ， 制备了表面含有甲基的 球 形 二 氧 化 硅 水 溶 胶， 然 后将其应用于棉 织 物 表 面， 最后对其疏水化处理制备超疏 水棉织物 。 一般， 球形无机粒子通过溶胶 凝胶法制备， 可通过调节反 应条件， 如反应温度、 时间、 催化剂用量、 前驱体浓度等， 对无机 粒子的粒径进行控制， 进而实现对表面粗糙度的调控 。 但粒径 较大（ 大于 100 nm） 的球形粒子会对超疏水表面的透明性造成 一定影响
娟
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（ 1． 陕西科技大学资源与环境学院 ， 陕西 西安 710021 ； 2． 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室 ， 陕西 西安 710021 ） 摘 要： 超疏水表面因具有自清洁 、 抗腐蚀、 减阻等功能使其在墙体涂料 、 轮船防腐防污、 流体输送等方面具
有潜在的应用， 成为国内外研究的热点 。文中对超疏水表面构筑过程中的两大主要因素即微观粗糙结构的 构筑和疏水化处理进行了详细归纳， 探讨了当前超疏水表面的研究热点， 并对超疏水表面的发展趋势进行了 展望。 关键词： 超疏水； 表面； 微观粗糙结构 中图分类号： TS195. 54 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 4017 （ 2014 ） 09 － 0050 － 03
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SEM images of PET fabric coated with nanofilaments（ a ）
before and （ b ） after a wear test［17］
线状无机粒子构筑的超疏水表面疏水性能虽然优异， 但是 其机械强度相对较差， 当受到摩擦时， 粗糙结构易被破坏。 1． 1． 4 通过管状无机粒子构筑
其与水的接触角最大值仍不超过 120° 疏水化处理，
。 而当
基底与水的接触角大于 65° （ CA ＞ 65° ） 时， 通过基底表面纳 米、 微米或微 / 纳粗 糙 结 构 的 构 筑， 也能使其在无需疏水化 处理的情况下达到超疏水的效果 键作用 。 目前， 构筑超疏水表面微观粗糙结构的形貌主要有单重粗 糙结构（ 纳米级或微米级结构） 和多重粗糙结构（ 微纳米结合 的结构） 。
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经过1 450 次循环摩擦 米线， 制备出的织物在 5 N 的作用力下， 处 理 前 后 的 SEM 照 片 如 图 2 所 示 。 对 比 图 2 中 摩 擦 前 后 织物的表面形貌可知， 织物被摩擦的部位纳米线磨损， 而 其他部位的纳米线保持完整， 表明织物仍然具有超疏水性 能 。 Shaik 等
线状无机粒子也逐渐成为构筑微观粗糙结构的主要材料 。 线状无机粒子具有比柱状结构更大的长径比， 采用线状结构构 筑超疏水表面的粗糙度和空气滞留量均较大， 因此， 其疏水性 能更加优异。 Zimmermann 等
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除可采用上述不同形貌的无机粒子构筑表面单重粗糙结 Ghosh 等 构外， 研究者还发现其他一些构筑方法 。 例如， 通 过离子激发技术， 在含氟树脂的表面构筑出纳米锥形结 构 ， 此 表面不经任何低表面能物质处理， 即可达到高度透明的超
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在玻璃 或 石 英 表 面 通 过 化 学 气 相 沉 积 法
在超疏水表面的制备过程中， 球形无机粒子以尺寸易于控 制和制备简单等优势而最为常用 。 采用球形无机粒子构 筑超疏水表面粗糙结构， 一般是先利用前驱体水解形成无机球 然后将该无机粒子负载于基体表面， 再进行疏 形粒子的溶胶， 水化处理；或将无机粒子进行疏水化改性， 最后负载于基体表 面。接触角一般随着球形粒子粒径的增加而增大， 然后趋于平 缓。Brassard 等
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。 张润香等［16］ 采用感应耦合等离子体
技术刻蚀后的硅模板复制聚二甲基硅氧烷（ PDMS ） ， 经剥离后 得到大小均一、 表面光滑的微米柱阵列超疏水表面 。 结果表 明， 微米柱高度较小时， 微米柱的高度和边长对接触角有正 影响， 间距则是负 影 响； 但 当 微 米 柱 高 度 较 大 时， 则高度对 接触角的影响趋小， 间距对接触角呈负影响， 边长对其影响 较复杂 。 1． 1． 3 通过线状无机粒子构筑
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， 因此， 对于透光性要求较高的表面， 需要平衡透
光性和超疏水性之间的关系 。 1． 1． 2 通过柱状无机粒子构筑
球形无机粒子比表面积大， 极易团聚成无规的粗糙表面 。 虽然团聚对于表面粗糙度的提升有一定帮助， 但却给超疏水表 面的相关理论研究带来了麻烦 。 而通过模板法（ 或光刻蚀法） 制备的柱状结构构筑超疏水表面， 由于形貌比较规整， 因此可 简化超疏水表面的理论研究， 对超疏水理论的发展有较大帮 助。另外， 采用柱状结构构筑超疏水表面， 相比于球形结构， 柱 状结构具有较大的长径比， 相邻柱状结构间滞留空气较多， 有 利于滚动角的降低
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将碳纳米管和硅烷偶联剂结合制备了具有
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导电性的透明超疏水涂层 。翟锦等
采用高温裂解酞菁金属
络合物的方法， 制备了定向的碳纳米管膜 。 研究发现， 其表面 的形貌与荷叶表面结构十分接近， 无需任何低表面能物质修 饰， 即可获得超疏水表面， 为无氟超疏水表面 / 界面材料的研究 提供了新思路。他们运用该方法又成功制备了岛状结构和房 式结构的阵列碳纳米管膜， 这两种膜均表现出了良好的疏水效 果。 虽然通过纳米管构筑的表面能够获得较好的疏水效果， 但 管状结构形成的超疏水表面机械强度不好， 加上纳米管自身的 制备方法比较复杂， 其设备以及原料价格昂贵， 限制了纳米管 构筑超疏水表面的规模化应用 。 1． 1． 5 其他方法构筑