常在河边走，亦可不湿鞋——超疏水涂料丨科普硅立方

编者按：中科院之声与中国科学院上海硅酸盐研究所联合开设“科普硅立方”专栏，为大家介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们将带你——认识晶格，挑战势垒，寻觅暗物质，今古论陶瓷；弥补缺陷，能级跃迁，嫦娥织外衣，溢彩话琉璃。

俗话说“常在河边走，哪有不湿鞋”，可总有人“不信邪”，为了证明这句经验性话语存在反例，超疏水涂料闪亮登场。

超疏水涂料及其定义

表面疏水技术是一种具有较高实用价值的基础技术，通过设计不同结构和物化特征的固体涂料赋予其新的附加功能，超疏水涂料正是在此基础上研发生产的。

疏水涂料在光滑表面上与静态水接触角大于90°，而超疏水涂料则是对应固体涂膜的水接触角大于150°的一种具有特殊表面性质的涂料，其具有防水、防雾、自清洁等诸多功能，在生产生活中有极为广泛的应用前景。

图1 材料疏水性分类及对应接触角（图片来自网络）

自然界中的超疏水现象

超疏水材料的研究最初源于从自然界得到启发而展开的仿生学工作。科学家观察了大自然中各种美丽的花瓣、多彩的动物翅膀和拥有“水上漂”本领的各类水生动物，均发现类似的超疏水现象。以蝴蝶为例，它之所以能在雨中自由起舞而不怕被雨淋湿，得益于其超疏水特性的翅膀。研究者发现在蝴蝶翅膀的表面整齐排列着同方向的鳞片状微结构（如图2所示）。这一特殊的纳米级别的微观结构导致蝴蝶翅膀对水滴具有发散性的排斥性质，即允许其上面的水滴从某一个方向滚走，而在其他方向上则难以滚动。

图2 自然界中的超疏水现象

超疏水涂料的制备

超疏水表面由于其适应性特征而引起了越发广泛的关注，超疏水性的实现离不开特定表面粗糙度的疏水表面，常见的低表面能疏水材料包括有机硅/氟材料、高分子熔体聚合物以及有机无机杂化材料等。在相关理论模型和仿生学研究的基础上，近年来发展了多种制备超疏水涂层的方法，其中比较常用的包括模板法、刻蚀法、喷涂法、沉积法和溶胶凝胶法等。然而，关于耐久性和制造技术复杂的担忧限制了其广泛应用。基于此，研究者开发了一种有效、耐用且用途广泛的二氧化硅-有机硅纳米复合材料，可以通过简便、经济、可扩展的制造技术，采用表面喷涂或模块合成工艺制备超疏水材料（如图3所示）。

图3 超疏水涂层的制备流程示意图

超疏水涂料的功能

（1）自清洁。当超疏水涂层表面倾斜时，即使角度很小，水滴也很容易从其表面滚下并带走污染物，从而实现自清洁和抗污特性（图4）。以炭黑粉末模拟灰尘颗粒并均匀地散布超疏水涂层表面，当一系列水滴从喷嘴中释放，略微倾斜则水滴带起尘粒一同滚落，结果表面干净如初（如图4a所示）。

（2）防冰雾。由于超疏水基体的自身孔隙及其与水滴之间夹杂着空气，水滴在超疏水涂层表面的粘附力极小，这使得水滴在其表面不易滞留，且对结冰起到了明显的延缓作用，因而低温条件下超疏水表面具有较好的除冰防雾性。

（3）油水分离。由于超疏水材料对于水与油具有完全相反的浸润性，它可以吸收油水混合物中的油污并疏离水分，因而有望在油水分离领域大显身手，例如海上溢油事故这些典型场景。如图5所示，当组成为十六烷和水的油水混合物被倾倒在玻璃容器的滤膜之上时，对于经超疏水处理的滤膜，油相顺利滤过进入容器，而水相则阻隔于滤膜之上（图5b）；相比之下，对于未经处理的原始滤膜，油相和水相均顺利透过进入容器（图5c）。这一结果表明，经超疏水涂料处理的滤膜可以实现油水混合物的简易快速分离。此外，该体系在高温、高湿、强酸/碱性和机械力等极端环境条件下依旧能保持稳定的超疏水性和高分离效率。

图4 经超疏水修饰表面的自清洁效应（a）和抗污效应（b–d）

图5 油水分离的操作示意图（a）；覆盖于容器上经超疏水处理的滤膜（b）与原始滤膜（c）的实际分离效果对比

超疏水涂料的应用

将超疏水涂料加工研制成超疏水喷雾剂，可以在皮革、纺织衣物等表面形成一种特殊涂层，不仅可以有效排斥水、油等普通液体，同时也能够防止巧克力、奶昔等粘稠性液体的附着，从而保持物体表面的干燥与清洁。

图6 超疏水涂料在生活中的应用（图片来自网络）

超疏水涂料可以修饰在不同基体表面，实现疏水特性的改进，因而其研究十分热门且具有现实意义。但目前材料的制备成本较高且工艺繁琐，限制了超疏水涂料的大规模生产和实际应用。关于超疏水涂料的未来发展趋势，我们首先需要降低制造成本和简化制备工艺，并拓展其在不同领域体系应用的普适性。随着相关产品的开发应用，相信今后超疏水涂料会给我们的日常生活带来极大便利，“不湿鞋”指日可待。

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来源：中国科学院上海硅酸盐研究所

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