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仿生超疏水材料的研究进展及应用 2400 字 摘 要：在仿生研究领域，许多奇特的微/纳生物表面现象给予人们大量的启示。比如荷叶效应、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁，引发了人们对超疏水材料的研究兴趣。本文综述了仿生超疏水表面的润湿性原理、主要制备方法和应用。毕业 关键词：仿生超疏水；润湿性；制备方法；应用 在时间的长河中，大自然不断地孕育生命，每一个生命体都具有其独特的艺术性、科学性。人类在不断适应自然、认识自然的同时，逐渐开始研究自然。仿生研究是人们学习自然，提高现有技术的有效手段。在仿生研究领域，许多奇特的微纳生物表面现象给予了人们大量的启示与想象空间1。比如荷叶效应2、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁3，引发了人们对仿生超疏水材料的研究兴趣。1 润湿性原理 固体表面的润湿性4对揭示表面亲、疏水性，强化表面疏水性能和制备疏水表面具有重要意义。描述润湿性的指标为与水的接触角，接触角小于 9O，为亲水表面，接触角大于90，为疏水表面，接触角大于 150，则称为超疏水表面。Wenzel5假设液体始终填满固体表面上的凹槽结构，粗糙表面的表观接触角?与光滑平坦表面本征接触角 存在以下关系：r（s-g-l-s）/l-g=cos?=r cos，式中 r 是材料表面的粗糙度因子，为固液界面实际接触面积与表观接触面积之比。而 Cassie6认为疏水表面上的液滴不能填满粗糙表面上的凹槽，凹槽中液滴下存留空气，从而表观上的固液接触实际上是固液、固气接触共同组成，提出 cos?=fs（1+cos）-1，式中：fs 是复合接触面中凸起固体面积与表观接触面积之比，其值小于 1。而 Cassie 和 Baxter7从热力学角度得到适合任何复合表面接触的 Cassie-Baxter 方程 cos?=f1cos1+f2cos2，式中?是复合表面的表观接触角，f1、f2 分别是两种介质在固体表面上所占面积的比例，1、2 分别是 2 种介质界面间（固液、气液）的本征接触角。研究发现8，固体表面随着微孔深度的增加，液体的浸润性增大，润湿性减小；随着孔间距的增大，液体的润湿深度先减小后增大。2 制备方法 由材料表面润湿性原理可知，材料表面能和表面微纳米结构是影响材料表面疏水、亲水性能的主要因素。制备仿生超疏水表面主要从两方面入手，一方面是使用具有低表面能材料，另一方面是改变材料表面粗糙度和微纳米结构。2.1、自然界物质中表面能最低的两种材料是硅氧烷、含氟材料。典型的低表面能材料是有机硅和氟树脂以及其相应的改性树脂。2.2、从制备粗糙表面结构材料来说，目前主要有模板法、蒸汽诱导相分离法、溶胶一凝胶法、电纺法和电化学法、激光和等离子体处理法、喷涂法等，本文简述几种主要的制备方法：模板法9：目前最简单、经济、快速的制备表面微纳结构的方法。采用具有特定形状的物体作为模板，将图形转移到相应的衬底上，成型固化以后通过脱模得到母版的反型表面结构，多用于制备疏水有机薄膜，但易受模板限制，难以大面积制备超疏水表面。姚连珍10以荷叶效应为理论基础，探讨了基于模板法的防污自洁 PVDF 膜的制备，结果表明，由模板法制备的膜表面的粗糙度对静态接触角有很大的影响，合适的表面微突体直径能够增大接触角，PVDF 膜的静态接触角可达 152。蒸汽诱导异相分离：利用聚合物溶液或共混聚合物的相分离过程可形成粗糙结构，用于制备具有特殊浸润性的表面，该方法简单易行且成本低廉。查道安11采用蒸汽诱导异相法制备出了 PVDF 多孔材料以及 PVDF/石墨烯复合材料，进行亲疏水性测试，结果发现 PVDF/石墨烯复合材料具有超疏水性能（水接触角 150），而未加入石墨烯的纯 PVDF 及 PVDF-HFP多孔材料不具有超疏水性。溶胶一凝胶法：主要利用含高化学活性成分的化合物前驱体的水解与缩合形成溶胶，再经过陈化胶粒聚合形成凝胶，最后采用一定方法基体表面成膜并固化烧结，形成具有微纳结构的薄膜。该法多用于制备无机涂层，反应工艺简单，易操作，适用范围广。贺惠蓉12等通过溶胶凝胶法，采用提拉技术在金属表面构筑 TiO2 薄膜，TiO2 薄膜表面随着温度的升高逐渐呈现粗糙的纳米结构，通过低表面能物质 FAS 修饰后，该表面呈现超疏水性。电纺法和电化学法：根据材料晶面电化学活性的各向异性，通过自身氧化、表面电化学沉积可以得到有序表面结构，主要应用于金属材料。王丽芳13采用静电纺丝技术构筑粗糙表面，再使用廉价的低表面能物质硅油在煅烧过程中进行同步修饰，制备出接触角大于150，滚动角小于 5的 TiO2 超疏水表面。此外还有其它制备方法，如激光和等离子体处理法14-15、刻蚀法16、喷涂法17-18、化学反应法19、溶剂/非溶剂法20等。3 应用与展望 仿生超疏水表面由于其独特的超疏水、自清洁以及防腐性能，应用前景广阔。可以开发新的水面交通工具21，如果技术成熟，制备出类似水黾腿部的超疏水结构，人们使用这种设备，可以轻而易举的在水面行走。表面防腐22方面，由于超疏水表面可以极大程度隔绝水分，减缓海水对建筑物的腐蚀速度，起到保护层的用途，同样原理可以减小海洋中舰船的腐蚀23，增大海军装备的使用寿命。透明超疏水材料由于其特殊的光学性能，可以制成玻璃，用于摩天大楼，根据本身具有自洁、防污能力，避免高空作业擦洗玻璃。在生物医药领域24仿生超疏水同样具有广阔的应用前景。但是依据目前的技术水平，仿生超疏水材料制造成本高昂，稳定性不足，难以投入工业化生产。随着技术的发展，在不远的将来，仿生超疏水材料定会得到广泛的应用。参考文献 1江雷，冯琳.仿生智能纳米界面材料M.北京：化学工业出版社，2007：248.