常在河邊走，亦可不濕鞋——超疏水塗料丨科普硅立方
編者按：中科院之聲與中國科學院上海硅酸鹽研究所聯合開設“科普硅立方”專欄，為大家介紹先進無機非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認識晶格，挑戰勢壘，尋覓暗物質，今古論陶瓷；彌補缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。
俗話説“常在河邊走，哪有不濕鞋”，可總有人“不信邪”，為了證明這句經驗性話語存在反例，超疏水塗料閃亮登場。
超疏水塗料及其定義
表面疏水技術是一種具有較高實用價值的基礎技術，通過設計不同結構和物化特徵的固體塗料賦予其新的附加功能，超疏水塗料正是在此基礎上研發生產的。
疏水塗料在光滑表面上與靜態水接觸角大於90°，而超疏水塗料則是對應固體塗膜的水接觸角大於150°的一種具有特殊表面性質的塗料，其具有防水、防霧、自清潔等諸多功能，在生產生活中有極為廣泛的應用前景。
圖1 材料疏水性分類及對應接觸角（圖片來自網絡）
自然界中的超疏水現象
超疏水材料的研究最初源於從自然界得到啓發而展開的仿生學工作。科學家觀察了大自然中各種美麗的花瓣、多彩的動物翅膀和擁有“水上漂”本領的各類水生動物，均發現類似的超疏水現象。以蝴蝶為例，它之所以能在雨中自由起舞而不怕被雨淋濕，得益於其超疏水特性的翅膀。研究者發現在蝴蝶翅膀的表面整齊排列着同方向的鱗片狀微結構（如圖2所示）。這一特殊的納米級別的微觀結構導致蝴蝶翅膀對水滴具有發散性的排斥性質，即允許其上面的水滴從某一個方向滾走，而在其他方向上則難以滾動。
圖2 自然界中的超疏水現象
超疏水塗料的製備
超疏水錶面由於其適應性特徵而引起了越發廣泛的關注，超疏水性的實現離不開特定表面粗糙度的疏水錶面，常見的低表面能疏水材料包括有機硅/氟材料、高分子熔體聚合物以及有機無機雜化材料等。在相關理論模型和仿生學研究的基礎上，近年來發展了多種製備超疏水塗層的方法，其中比較常用的包括模板法、刻蝕法、噴塗法、沉積法和溶膠凝膠法等。然而，關於耐久性和製造技術複雜的擔憂限制了其廣泛應用。基於此，研究者開發了一種有效、耐用且用途廣泛的二氧化硅-有機硅納米複合材料，可以通過簡便、經濟、可擴展的製造技術，採用表面噴塗或模塊合成工藝製備超疏水材料（如圖3所示）。
圖3 超疏水塗層的製備流程示意圖
超疏水塗料的功能
（1）自清潔。當超疏水塗層表面傾斜時，即使角度很小，水滴也很容易從其表面滾下並帶走污染物，從而實現自清潔和抗污特性（圖4）。以炭黑粉末模擬灰塵顆粒並均勻地散佈超疏水塗層表面，當一系列水滴從噴嘴中釋放，略微傾斜則水滴帶起塵粒一同滾落，結果表面乾淨如初（如圖4a所示）。
（2）防冰霧。由於超疏水基體的自身孔隙及其與水滴之間夾雜着空氣，水滴在超疏水塗層表面的粘附力極小，這使得水滴在其表面不易滯留，且對結冰起到了明顯的延緩作用，因而低温條件下超疏水錶面具有較好的除冰防霧性。
（3）油水分離。由於超疏水材料對於水與油具有完全相反的浸潤性，它可以吸收油水混合物中的油污並疏離水分，因而有望在油水分離領域大顯身手，例如海上溢油事故這些典型場景。如圖5所示，當組成為十六烷和水的油水混合物被傾倒在玻璃容器的濾膜之上時，對於經超疏水處理的濾膜，油相順利濾過進入容器，而水相則阻隔於濾膜之上（圖5b）；相比之下，對於未經處理的原始濾膜，油相和水相均順利透過進入容器（圖5c）。這一結果表明，經超疏水塗料處理的濾膜可以實現油水混合物的簡易快速分離。此外，該體系在高温、高濕、強酸/鹼性和機械力等極端環境條件下依舊能保持穩定的超疏水性和高分離效率。
圖4 經超疏水修飾表面的自清潔效應（a）和抗污效應（b–d）
圖5 油水分離的操作示意圖（a）；覆蓋於容器上經超疏水處理的濾膜（b）與原始濾膜（c）的實際分離效果對比
超疏水塗料的應用
將超疏水塗料加工研製成超疏水噴霧劑，可以在皮革、紡織衣物等表面形成一種特殊塗層，不僅可以有效排斥水、油等普通液體，同時也能夠防止巧克力、奶昔等粘稠性液體的附着，從而保持物體表面的乾燥與清潔。
圖6 超疏水塗料在生活中的應用（圖片來自網絡）
超疏水塗料可以修飾在不同基體表面，實現疏水特性的改進，因而其研究十分熱門且具有現實意義。但目前材料的製備成本較高且工藝繁瑣，限制了超疏水塗料的大規模生產和實際應用。關於超疏水塗料的未來發展趨勢，我們首先需要降低製造成本和簡化製備工藝，並拓展其在不同領域體系應用的普適性。隨着相關產品的開發應用，相信今後超疏水塗料會給我們的日常生活帶來極大便利，“不濕鞋”指日可待。
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來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所
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來源:中科院之聲