超疏水-超疏油表面的研究進展

代學玉，汪永麗，高蘭玲

(蘭州石化職業技術學院石油化學工程學院，甘肅 蘭州 730060)

與水和油的接觸角都大于150°的表面稱為超疏水-超疏油表面。超疏水、超疏油是固體表面的一種特殊現象，主要與表面的粗糙度和化學組成有關系。超疏水-超疏油表面因具有自清潔、耐腐蝕、低摩擦、減阻和抗粘附等優異特性，在工業、農業生產和人們的日常生活中都有廣闊的應用前景。例如，將具有超疏水-超疏油的表面材料用于船舶外殼和燃料儲罐，可以達到防污和防腐的效果；用于輸送石油的管道中，可以防止石油粘附在管壁上，從而減少運輸過程中的損耗和能耗，并防止管道被堵塞；用于紡織品中，可以用來做防水、防污的具有自凈性質的服裝等。

超疏水-超疏油表面的制備一直備受國內外研究者的廣泛關注，其制備方法有很多，人工制備該表面的關鍵是構建合適的表面幾何形狀，即表面粗糙度。本文將介紹超疏水-超疏油表面的研究進展。

Tsujii等[1-2]首先報道了超疏油表面的制備方法，他們通過陽極氧化對金屬鋁表面進行電化學處理，以獲得具有分形結構的氧化鋁粗糙表面，然后在表面上對其進行改性，用正氟烷基磷酸酯進行修飾，制得與植物油的接觸角約為150°的超疏油表面，油滴在表面上很容易滾動而沒有任何黏附；該表面與水的接觸角約為160°，使其又具有超疏水性。宋金龍等[3]在鋁基底上通過電化學和化學加工技術制備出了具有超疏水-超疏油的表面，經過電化學和化學處理后的鋁基底表面是由微米級的矩形凸臺鋁結構和納米級的針狀氧化鋁結構組成，使該表面具有微納米復合結構；該樣品表面在氟化處理之前具有超親水-超親油性，而通過氟化處理后，水、甘油、花生油和十六烷在樣品表面的接觸角分別為166.6°、164.7°、160.1°和157.7°，滾動角分別為2.0°、2.0°、4.0°和3.5°，使該表面具有超疏水-超疏油性；其中，微納米粗糙結構的制備和表面能的降低，是該鋁樣品表面獲得超疏水-超疏油性的必要條件。Xi等[4]通過電化學沉積法在Cu、Ti、Fe、Zn、Al和Sn基底上分別制備了超疏水表面，制備過程中形成的微納米分等級結構使這些表面即使浸泡在腐蝕性溶液，如酸、堿、鹽溶液中，仍具有良好的超疏水性；此外，這種方法還可以用于制備超疏水、超疏油表面。張方東[5]以鋅為基底，通過控制電化學刻蝕參數，制得了具有不同微觀形貌的鋅表面，當用氟硅烷乙醇溶液對制得的類似于荷葉微觀形貌的表面進行修飾改性后，表面具有超疏水性；而用全氟辛酸乙醇溶液對制得的凹角結構或懸臂結構組成的表面進行修飾改性后，表面呈現超疏油性。

包曉慧[6]以碳化硅顆粒增強鋁基(SiC/Al)復合材料為基材，利用刻蝕法制備了超疏水-超疏油表面，他們用Beck試劑對SiC/Al復合材料進行化學刻蝕，當經歷較短的刻蝕時間(5s)后，SiC/Al復合材料表面呈現出由微米級粒狀和納米級凹坑復合而成的微納米復合結構，表面經修飾后，具有超疏水性，接觸角可達165.7°、滾動角為3°；而用較高的電流密度(6A/dm2)刻蝕SiC/Al復合材料，其表面呈現出由微米級粒狀和納米級顆粒狀和波鱗狀復合而成的微納米復合結構，制得水接觸角為160.7°、滾動角為4°的超疏水自清潔表面；采用電化學刻蝕-沸水浸泡的方法處理后的SiC/Al復合材料表面布滿了納米級線狀結構，而隨著刻蝕時間的增加，表面的納米級線狀結構更加密集，制得水接觸角為161.2°、滾動角為2°，油接觸角為155°的超疏水-超疏油表面；與純鋁相比較，使用SiC/Al復合材料更容易制備出具有超疏水-超疏油的表面，而且所制備的表面具有更好的耐熱沖擊能力。

Hoefnagels等[7]通過將二氧化硅顆粒引入棉線，以形成分等級的粗糙結構，然后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)進行疏水化處理，在棉紡織品上制備了超疏水、高疏油性表面，棉線從親水性變為超疏水性，其靜態水接觸角增加到155°；若用氟硅烷將該棉線再進行修飾改性，則所得到的棉紡織品表面具有超疏水性和高疏油性，其中油接觸角為140°。Xie等[8]利用溶劑蒸發過程中聚合物的自聚集、表面張力和相分離的原理，在室溫和大氣條件下，用一步熔融聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和端基為氟的聚氨酯(FPU)混合溶液直接成膜，制備類似于荷葉微納米復合結構的聚合物表面，制得具有超疏水和高疏油性的仿生涂層，水和油在涂層表面上的接觸角分別為166°和144°、而滾動角僅為3.4 ± 2.0°，水滴可以在表面上自由滾動，具有類似于荷葉表面的自清潔效應；此外，該仿生表面還具有類似于荷葉的自修復功能，仿生表面的最外層在受損的情況下仍然能保持其超疏水性和自清潔的功能。朱小濤[9]首先采用熱壓的方法制備了碳納米管/聚乙烯和銅/聚乙烯復合材料，然后在該表面沉積納米銀形成微納米表面等級結構，再經氟化硫醇修飾后，復合材料的表面具有超疏水和超疏油性，水和油在該表面的接觸角都大于150°，而且極容易從表面滾落；當表面的超疏水和超疏油性遭到破壞時，經過簡單的修復后，表面又能恢復原來超疏水和超疏油性。Li等[10-11]成功地制備了具有超疏水-超疏油性的陣列碳納米管膜，未經任何修飾改性時，膜的表面具有超疏水性，與水的接觸角為158.5°；當通過低表面能材料氟硅烷修飾改性后，膜表面呈超疏水-超疏油性，與水的接觸角可以達到171°，而與植物油的接觸角為161°。

超疏水-超疏油表面的制備雖然已經取得了很多的研究成果，然而目前仍有一些重要的問題需要解決，例如，如何使制備過程簡單化、易于實現工業化生產、制備出的表面具有良好的穩定性、工作壽命長、可靠性高等，這些都是當前研究的重點。