超疏水表面的应用
摘要：由于超疏水表面在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用,有关超疏水表面的研究引起了极大的关注。
本文简述了超疏水表面的制备方法，归纳了超疏水表面的应用,对超疏水表面研究的发展进行了展望。
关键词：超疏水；制备；应用
表面的疏水性能通常用表面与水静态的接触角和动态的滚动角描述。
超疏水表面是指与水的接触角大于150°,而滚动角小于10°的表面。
该特殊表面在日常生活和工业生产等领域都有着极其广阔的应用前景,如玻璃表面的防雾、交通指示灯的自清洁、船体表面的润滑和纺织品的防污性能等。
滚动角的大小代表了一个薄膜表面的滞后程度。
从理论上讲,真正意义的超疏水表面既要有较大的静态接触角,又要有较小的滚动角[1]。
1 常见超疏水表面制备方法
人工制备超疏水表面虽然时间不长，但发展特别迅速，有效的制备方法也越来越多，主要有模板法、静电纺丝法、相分离与自组装法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、水热法、化学沉积与电沉积法、纳米二氧化硅法、腐蚀法等。
2 超疏水表面的应用
功能性应用的众多需求一直驱使着超疏水表面不断研究发展。
现如今,在不同的领域涌现出一大批新型、高效的应用方式[2]。
2.1 微物质能量领域
超疏水表面的一个很重要的应用即为其超疏水性的可逆性。
超疏水可逆性原理可应用于液滴或纳米粒子的操纵和微米级毛细管引擎。
Noso no vsky 等通过光照或电压等增加下板表面能量到一定值,半月板下移形成毛细管桥,反则下半月板恢复到原来的位置。
类似的原理可以用于微物质的操控,例如,一个小液滴,当承载基板为低表面能时被抬起；反则液滴被释放。
这样就以实现表面能与机械能之间的能量转化,进而促成多种能量之间的变换。
此类实验的成功微物质领域的能量应用发展提供了广阔的空间。
2.2 燃料领域
在传统燃料输送设备中,剩余燃料都会造成很大的浪费,与此相关的应用是使用超疏油表面进行燃料经济性操作, 即在设备内制得超疏油表面,虽然所用的表
面是超疏油性的,但其制备原理与超疏水表面制备方法极其类似, T uteja 等在油料输送管道和储油罐内制备出以低表面能物质修饰的粗糙表面,同样可以适用于低表面能油料流体的输送。
这一成果具有很高的工业应用价值,其规模化应用潜力巨大。
2.3 光学领域
对于一些光学仪器来说,自清洁功能显得尤为重要,于是涌现出相当多有关于高透性、无反射性或高反射性超疏水表面的研究。
为了得到表面的透光性,构成表面粗糙结构的颗粒就必须小于可见光波长。
实际中制备高反射性能的超疏水表面是有比较大的难度的,从表面粗糙度的观点来看,随着表面粗糙度的增加,表面的疏水效果增加,但同时表面的反射性能会减弱。
为解决此问题, Shen 等通过控制银镜反应制备出了具有超疏水性能的高反射银镜面。
使得在保证高反射性的前提下,制备具有超疏水性能基面这一难题得以实现。
2.4 生物医学领域
生物领域中, 基材表面的生物粘附是一个复杂的现象,它包括在有机质和界面之间多种不同的相互作用。
Wang 等将制备的亲水/ 超疏水的表面浸入蛋白质溶液中时,在超疏水部分形成空气层,这个隔离墙就阻止了细胞与表面的接触,形成了分离区域,而活细胞可以在亲水性表面自由生长。
在临床治疗方面,超疏水表面表现出抗细胞粘附的特性。
用一种部分氟化的且具有生物兼容性的聚氨基甲酸乙酯表面来测试对血小板的粘附性,实验表明, 相比于普通聚氨基甲酸乙酯表面对血小板强烈的粘附作用,具有超疏水性能的表面对血小板几乎没有任何粘附作用。
2.5 金属防锈领域
前文曾提到Xi 等直接在铜板上制得粗糙表面,不经任何化学处理就得超疏水防锈表面的例子。
这里还有一种金属防锈的应用, Liu 等将铜与肉豆蔻酸( 十四酸) 的乙醇溶液反应,在铜面形成超疏水涂层,二者之间粘着力较好,且经过该法处理的铜,可以在海水环境中保持一个月。
这一实验的成功,为海中作业的船舶、设备等提供了良好的防腐思路。
2.6 电池中的应用
在电池系统中引入超疏水材料可以使电池效率和耐久性得到改善。
Lifton 等开发了一种基于纳米超疏水材料的新型电池。
电池两极均由修饰了超疏水涂层的
硅质材料构成,这样可以有效的将电解液和活性电极材料分隔开,防止副反应的发生。
在燃料电池系统中,以碳纳米管作为阴极催化剂,上面装载铂纳米颗粒,碳纳米管的超疏水性可以促使移除在电极反应中产生的水,从而提升系统中的传质过程,进而有效提高燃料电池效率。
2.7 织物上的应用
拥有超疏水性的织物不仅要求高的憎水性,也同时要保证无毒、舒适的原则。
曾经有人尝试将超疏水性面料编制成织物,例如Ma 等将聚己内酯、苯乙烯和二甲基硅氧烷形成的嵌段聚合物制成纤维。
因为这两种纤维出色的憎水性和较低的滚动角,使其成为纺织具有超疏水功能和自清洁功能织物的优选备用材料。
3 展望
超疏水表面具有广泛的应用前景,近年来已成为材料研究的热点,已经开发了众多不同的制备原料和工艺方法;通过模型分析,对于表面微观结构与接触角、滞后、浸润状态之间的关系也有了更深入的认识,为制备具有特殊表面浸润性材料提供了一定的理论指导。
但是超疏水表面的实际应用还未能普及,许多问题还亟待解决。
首先,简单经济、环境友好的制备方法有待开发。
现有报道的大多数超疏水表面的制备过程中均涉及到用较昂贵的低表面能物质,如含氟或硅烷的化合物来降低表面的表面能,而且许多方法涉及到特定的设备、苛刻的条件和较长的周期,难以用于大面积超疏水表面的制备[3]。
其次,从实际应用角度考虑,现有的超疏水表面的强度和持久性差,使得这种表面在许多场合的应用受到限制。
表面的微结构也因机械强度差而易被外力破坏,导致超疏水性的丧失；另外在一些场合或长期使用中表面也可能被油性物质污染,使得疏水性变差。
开发具有表面微结构可修复的超疏水表面及实现超双疏功能(既疏水又疏油) 可能是解决实际应用问题的最佳方案。
此外,从理论分析角度考虑,对于表面微结构的几何形貌、尺寸与表面浸润性,尤其是与滞后直接联系的定量研究还有待深入。
最后,超疏水表面的应用领域还有待拓展,尤其是在生物领域中。
在超疏水表面上具有生物活性物质如细胞、蛋白等的生长、与表面间的相互作用等都将是值得研究的内容。
参考文献
[1]郭志光,刘维民.仿生超疏水性表面的研究进展[J].化学进展,2006,18 (6) :721
[2] 范治平,魏增江,田冬等.超疏水性材料表面的制备、应用和相关理论研究的
新进展[J].2010
[3] 刘霞，高原等.超疏水性纳米界面材料的制备及其研究进展[J].2008。