超親水表面的制備方法

(安徽理工大學材料科與工程學院 安徽 淮南 232001)

一、介紹

濕潤性是固體表面的一個固有性質(zhì)，濕潤性的大小是由材料表面的微-納米結(jié)構(gòu)和化學成分共同決定的[1]。為了制備出材料表面的微-納米結(jié)構(gòu)，研究者們已經(jīng)有多種辦法。而表面化學成分決定了材料表面的化學能高低，通常高化學能表面是相對親水的，而低化學能表面是相對疏水的。固體表面濕潤性的大小由接觸角界定，大于90°為是疏水表面，小于90°為親水表面，有文獻認為親疏水表面的界定值為65°[2]。小于10°為超親水表面[3]。

固體表面的超親水特性因為其可以使水能夠很好的固體表面延展開，所以在很多領(lǐng)域有很好的應(yīng)用，如自清潔、除霧、快速干燥、油水分離等。

眾所周知，在光滑的固體表面上，其接觸角可由楊氏方程[4]表示：

式中、分別表示固-氣、固-液和液-氣界面的表面能。楊氏方程也反映了當固體材料的表面能越高，其接觸角越大。

Jaroslaw Drelich[5]等人認為自然界中只有很少的超親水現(xiàn)象是在光滑表面發(fā)生的，大多數(shù)超親水現(xiàn)象是由于粗糙的表面結(jié)構(gòu)和表面化學物質(zhì)共同作用的結(jié)構(gòu)。

二、材料超親水表面的制備方法

研究者們?yōu)榱酥苽涑龀H水表面，觀察到自然界中的超親水現(xiàn)象大多是因為材料表面的粗糙結(jié)構(gòu)和其表面的化學物質(zhì)共同作用的效果。比如松蘿鳳梨，通過表面粗糙的絨毛狀鱗片達到超親水來更多的吸收水分[6]；泥炭蘚表面具有多孔結(jié)構(gòu)，達到超親水的效果來吸取水分[7]。所以在材料表面構(gòu)造粗糙結(jié)構(gòu)，附以高表面能的物質(zhì)，或者是二者結(jié)合使用是研究者們制備超親水的常用策略。

(一)溶膠-凝膠法

溶膠凝膠法是通過原料在溶劑中水解和聚合形成產(chǎn)物的方法。通過工藝的控制，可以得到不同需求形貌的產(chǎn)物。在使用溶膠-凝膠法合成制備中，需要在低溫條件下進行。溶膠-凝膠法是制備涂層常用的一種方法。

王樂[8]等通過溶膠-凝膠法成功在玻璃表面制備出粗糙的二氧化硅涂層，通過粗糙涂層可以使玻璃表面接觸角達到4.4°；王強峰[9]等通過溶膠-凝膠法二氧化硅納米粒子引入PAMAM聚合物中，成功在鋁基材上制備出超親水PAMAM聚合物，并且具有良好的防覆冰性能。

(二)電沉積法

電沉積法是通過金屬從溶液或熔鹽中電沉積，得到涂層的方法。電沉積的難易程度和沉積物的形貌與金屬的性質(zhì)相關(guān)。

徐鵬飛[10]等通過電沉積法在銅表面制備出納米級樹枝狀結(jié)構(gòu)與微米級孔穴結(jié)構(gòu)復(fù)合的多孔超親水表面，其靜態(tài)接觸角小于5°，并且具有很好的傳熱性能。劉僑鵬[11]等在銅表面利用電沉積法制備出超親水表面。

(三)氣相沉積法

氣相沉積法分為物理氣相沉積和化學氣相沉積。物理氣相沉積即用物理的方法，使物質(zhì)氣化，后在基材表面沉積成膜。化學氣相沉積即不同的氣體混合后在基材上反生反應(yīng)，后在基材上形成一種新的表面。

董姍[12]等利用氣相沉積法在不銹鋼基材上生長碳納米管，熱處理后碳納米管具有粗糙的邊平面結(jié)構(gòu)，達到超親水的性能。Ivan Paul Parkin[13]等利用氣相沉積法制備出TiO2-VO2薄膜，在紫外光的照射下達到超親水的狀態(tài)。

(四)層層自組裝(Layer by Layer Self Assembly)

層-層自組裝是利用逐層交替沉積的方法,借助各層分子間的弱相互作用(如靜電引力、氫鍵、配位鍵等),使層與層自發(fā)地締和形成結(jié)構(gòu)完整、性能穩(wěn)定、具有某種特定功能的分子聚集體或超分子結(jié)構(gòu)的過程。

Yosuke Tsuge[14]等利用自組裝技術(shù)在基材上成功合成了TiO2薄膜，其接觸角低于5°，達到了超親水的性能。吳雅露[15]等利用自組裝技術(shù)在玻璃基材上制備出超親水、超親油的雙親特性。

三、結(jié)語

材料的超親水特性在自清潔、防霧、快速干燥、油水分離等方向有著很好的應(yīng)用潛力。但目前大多數(shù)制備方法相對復(fù)雜，制備成本高，不利于實際應(yīng)用；其次目前報道的超親水材料其耐久性不強，不能長時間保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)與性能。未來的研究方向需著重在經(jīng)濟性、耐久性等方向突破。