超疏水-超疏油表面的研究進(jìn)展

代學(xué)玉，汪永麗，高蘭玲

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化學(xué)工程學(xué)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(xiàn)象，主要與表面的粗糙度和化學(xué)組成有關(guān)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(yōu)異特性，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中都有廣闊的應(yīng)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(chǔ)罐，可以達(dá)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(yùn)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(zhì)的服裝等。

超疏水-超疏油表面的制備一直備受國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，其制備方法有很多，人工制備該表面的關(guān)鍵是構(gòu)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(jìn)展。

Tsujii等[1-2]首先報(bào)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(jìn)行電化學(xué)處理，以獲得具有分形結(jié)構(gòu)的氧化鋁粗糙表面，然后在表面上對其進(jìn)行改性，用正氟烷基磷酸酯進(jìn)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(dòng)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(xué)和化學(xué)加工技術(shù)制備出了具有超疏水-超疏油的表面，經(jīng)過電化學(xué)和化學(xué)處理后的鋁基底表面是由微米級(jí)的矩形凸臺(tái)鋁結(jié)構(gòu)和納米級(jí)的針狀氧化鋁結(jié)構(gòu)組成，使該表面具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)；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(dòng)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(jié)構(gòu)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(xué)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(jí)結(jié)構(gòu)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(xué)刻蝕參數(shù)，制得了具有不同微觀形貌的鋅表面，當(dāng)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(jìn)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(jié)構(gòu)或懸臂結(jié)構(gòu)組成的表面進(jìn)行修飾改性后，表面呈現(xiàn)超疏油性。

包曉慧[6]以碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基(SiC/Al)復(fù)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(fù)合材料進(jìn)行化學(xué)刻蝕，當(dāng)經(jīng)歷較短的刻蝕時(shí)間(5s)后，SiC/Al復(fù)合材料表面呈現(xiàn)出由微米級(jí)粒狀和納米級(jí)凹坑復(fù)合而成的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，表面經(jīng)修飾后，具有超疏水性，接觸角可達(dá)165.7°、滾動(dòng)角為3°；而用較高的電流密度(6A/dm2)刻蝕SiC/Al復(fù)合材料，其表面呈現(xiàn)出由微米級(jí)粒狀和納米級(jí)顆粒狀和波鱗狀復(fù)合而成的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，制得水接觸角為160.7°、滾動(dòng)角為4°的超疏水自清潔表面；采用電化學(xué)刻蝕-沸水浸泡的方法處理后的SiC/Al復(fù)合材料表面布滿了納米級(jí)線狀結(jié)構(gòu)，而隨著刻蝕時(shí)間的增加，表面的納米級(jí)線狀結(jié)構(gòu)更加密集，制得水接觸角為161.2°、滾動(dòng)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(fù)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(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)，然后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)進(jìn)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?yōu)槌杷?，其靜態(tài)水接觸角增加到155°；若用氟硅烷將該棉線再進(jìn)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(fā)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(dòng)角僅為3.4 ± 2.0°，水滴可以在表面上自由滾動(dòng)，具有類似于荷葉表面的自清潔效應(yīng)；此外，該仿生表面還具有類似于荷葉的自修復(fù)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(fù)合材料，然后在該表面沉積納米銀形成微納米表面等級(jí)結(jié)構(gòu)，再經(jīng)氟化硫醇修飾后，復(fù)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(dāng)表面的超疏水和超疏油性遭到破壞時(shí)，經(jīng)過簡單的修復(fù)后，表面又能恢復(fù)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(jīng)任何修飾改性時(shí)，膜的表面具有超疏水性，與水的接觸角為158.5°；當(dāng)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(dá)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(jīng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、制備出的表面具有良好的穩(wěn)定性、工作壽命長、可靠性高等，這些都是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。