图解：纳米超疏水自清洁表面的应用
2020-12-18 17:41:36
自然界的超疏水现象“荷叶表面具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”「见下图1」。
图1自然界的荷叶疏水表面现象gif
科学家发现，荷叶表面具有微米级的乳突，乳突上乳突上有纳米级的蜡晶物质，这种微-纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角，导致水滴极易滚落「见下图2」。水滴在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象，在自清洁过程中起到了一个至关重要的作用：水滴在表面滚动时会带走表面的污染物或灰尘，从而达到自清洁的效果「见下图3」。
图2 荷叶表面微观结构
图3 超疏水表面自清洁原理示意图
当然这些现在也存在于很多其他生物身上「见下图4」；科学家们研究这些生物及模仿这些生物现象，制备出了许多超疏水产品并得到了许多的应用（详见后文介绍）。
图4自然界中具有超疏水性的动植物及其扫描电子显微镜(SEM)
图(a,b)荷叶;(c,d)水稻叶;(e,f)水黾腿[3];(g,h)孔雀羽毛[5,6];(i,j)壁虎脚掌[7];(k,l)蝉翼[9];(m,n)蝴蝶翅膀[10];(o,p)蚊子复眼[13]
下文将为大家简单介绍超疏水自清洁的原理及一些超疏水表面的应用例子。
自清洁表面指表面的污染物或灰尘能在重力或雨水、风力等外力作用下自动脱落或被降解的一种表面，基于超疏水原理的自清洁表面主要是指接触角CA150°、滚动角SA＜10°的类荷叶表面「见下图5（d）」。
图5不同表面水滴接触界面状态
2、常见超疏水表面制备现状
人工制备超疏水表面虽然时间不长，但发展特别迅速，有效的制备方法也越来越多，主要有模板法、静电纺丝法、相分离与自组装法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、水热法、化学沉积与电沉积法、纳米二氧化硅法、腐蚀法等。
目前人工超疏水表面主要包括超疏水薄膜表面、超疏水涂层表面、超疏水金属表面及超疏水织物等方面。
工艺举例：超疏水涂层玻璃
用十七氟癸基三甲基硅烷改性过的纳米碳酸钙与聚乙烯溶液混合涂敷于玻璃表面制得超疏水涂层，接触角可达到155º，同时研究了该表面的抗灰尘能力。当黑烟末粉体粘在表面时很容易被水滴带走「见下图6」。
图6超疏水表面gif
3、超疏水表面的应用
a、超疏水涂层在自清洁玻璃、电力杆的应用
超疏水涂层工艺①：聚苯乙烯和纳米硅颗粒混合制成溶胶，然后采用浸渍涂布发涂布成膜，最后再高温处理得到具有微-纳山峰结构的超疏水透明表面，该表面与水的接触角高达160°。
超疏水涂层工艺②：用层自组装技术先在玻璃基底上组装一层聚季铵-SiO2/聚丙烯酸，再在上面组装聚烯丙基胺盐酸盐/SiO2，煅烧后除去聚合物，再用氟化烷基硅醇修饰后得到透明的超疏水涂层。
自清洁玻璃可以在雨水冲刷下迅速带走玻璃幕墙上的尘埃物质，可以有效保持外墙“颜值”及减少玻璃幕墙的清理时间及工作人员的室外高空工作的危险性。但成本相对而言也不小。
图7传统玻璃高空清理
2008年突降的大雪（实际上是冻雨遇到温度低的物体结冰压倒的电线），压断了许多没有防备的南方高压线塔，若在电力杆容易积压积雪的位置做疏水处理，可大量减少积雪堆积对高压线塔的破坏也减少偏远高压线的维护难度。
图8被冰压倒的高压线塔
将疏水性涂料涂于输电导线外部、电力杆塔，绝缘子等表面，可降低冰在涂层表面的附着力，虽不能完全防止冰的形成，但可使冻雨和雪等冻结到导线或绝缘子之前就在自然力，如风力或导线及绝缘子的摆动力等的作用下自然滑落，或使冰或雪在导线和绝缘子上的附着力明显降低，以达到防止覆冰，减少线路因覆冰出现事故。
图9正在检查清理高压线积雪的工人
b、超疏水织物
超疏水织物工艺①：用溶胶-凝胶法在基材上制得透明的氧化铝薄膜，该薄膜经沸水中浸泡、干燥和煅烧等工艺处理后可得到具有花瓣状结构的粗糙表面，最后经十七氟癸烷基三甲氧基烷修饰，可制得透明超疏水表面。
超疏水织物工艺②：用等离子体聚合的方法，在棉纤维上聚合含有氟烯烃，得到具有超疏水性的表面。
图10防水防污网红超疏水衬衫
图11左边白色为普通材质右边蓝色为超疏水材质
轻松告别红酒、咖啡、墨水等污渍，简直手残党的福音。妈妈再也不用担心我衣服脏。
c、疏水金属
超疏水金属表面工艺：采用位错刻蚀剂对铝、铜、锌集体表面进行化学刻蚀，然后用氟烷基硅烷对刻蚀后的表面进行疏水化处理得到接触角大于150°的超疏水金属表面。
超疏水表面除了赋予金属自清洁能力了外，还能在一定程度上降低金属的腐蚀效率。因制备超疏水金属材料材料方法存在一定不足，目前应用受到了一定程度的限制。
图12金属超疏水表面
d、电子产品的疏水处理-防水手机等
说到防水手机领域，不得不提的国家是日本。有一句话是这样说的“在日本，手机没有防水功能那就根本卖不出去。”那是因为日本女性在沐浴时，都是机不离手，作为智能手机的重要用户群，逼迫了这个国家生产出一系列一系列的防水手机。
图13索尼防水手机
大多数人认为，防水手机依然密封性达成防水能力，实际上，许多日系防水手机外光上与普通手机没啥区别，甚至连橡胶塞都没有，但是依然具备防水功能。这样的手机具备防水功能，除设计等因素外，多归功于其内部防水处理。
将智能手机内部主板等零部件包裹在一层特殊的薄膜内达到防水效果，避免手机进水引起短路。
图14电子产品
结语
超疏水自清洁涂层虽已有工业化应用，但是超疏水性能的稳定性和持久性还有待提高，特别是耐水压冲击性能还有待研究，以防止经暴雨冲刷后破坏表面结构（如将微尘嵌入微纳坑内），降低超疏水性能。
另外，现有的超疏水涂层功能比较单一，如果能在其中掺杂其它功能性粒子，则可大大扩大超疏水涂层的应用范围。
小白