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常在河邊走亦可不濕鞋-超疏水涂料丨科普硅立方

編者按：中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開(kāi)設(shè)“科普硅立方”專欄，常河為大家介紹先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料的邊走不濕前世今生。我們將帶你——認(rèn)識(shí)晶格，鞋超挑戰(zhàn)勢(shì)壘，疏水尋覓暗物質(zhì)，涂料今古論陶瓷；彌補(bǔ)缺陷，丨科能級(jí)躍遷，普硅嫦娥織外衣，立方溢彩話琉璃。常河

俗話說(shuō)“常在河邊走，邊走不濕哪有不濕鞋”，鞋超可總有人“不信邪”，疏水為了證明這句經(jīng)驗(yàn)性話語(yǔ)存在反例，涂料超疏水涂料閃亮登場(chǎng)。丨科

超疏水涂料及其定義

表面疏水技術(shù)是普硅一種具有較高實(shí)用價(jià)值的基礎(chǔ)技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)和物化特征的固體涂料賦予其新的附加功能，超疏水涂料正是在此基礎(chǔ)上研發(fā)生產(chǎn)的。

疏水涂料在光滑表面上與靜態(tài)水接觸角大于90°，而超疏水涂料則是對(duì)應(yīng)固體涂膜的水接觸角大于150°的一種具有特殊表面性質(zhì)的涂料，其具有防水、防霧、自清潔等諸多功能，在生產(chǎn)生活中有極為廣泛的應(yīng)用前景。

圖1材料疏水性分類及對(duì)應(yīng)接觸角（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

自然界中的超疏水現(xiàn)象

超疏水材料的研究最初源于從自然界得到啟發(fā)而展開(kāi)的仿生學(xué)工作。科學(xué)家觀察了大自然中各種美麗的花瓣、多彩的動(dòng)物翅膀和擁有“水上漂”本領(lǐng)的各類水生動(dòng)物，均發(fā)現(xiàn)類似的超疏水現(xiàn)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，得益于其超疏水特性的翅膀。研究者發(fā)現(xiàn)在蝴蝶翅膀的表面整齊排列著同方向的鱗片狀微結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。這一特殊的納米級(jí)別的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致蝴蝶翅膀?qū)λ尉哂邪l(fā)散性的排斥性質(zhì)，即允許其上面的水滴從某一個(gè)方向滾走，而在其他方向上則難以滾動(dòng)。

圖2自然界中的超疏水現(xiàn)象

超疏水涂料的制備

圖3超疏水涂層的制備流程示意圖

超疏水涂料的功能

（1）自清潔。當(dāng)超疏水涂層表面傾斜時(shí)，即使角度很小，水滴也很容易從其表面滾下并帶走污染物，從而實(shí)現(xiàn)自清潔和抗污特性（圖4）。以炭黑粉末模擬灰塵顆粒并均勻地散布超疏水涂層表面，當(dāng)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(jié)果表面干凈如初（如圖4a所示）。

（2）防冰霧。由于超疏水基體的自身孔隙及其與水滴之間夾雜著空氣，水滴在超疏水涂層表面的粘附力極小，這使得水滴在其表面不易滯留，且對(duì)結(jié)冰起到了明顯的延緩作用，因而低溫條件下超疏水表面具有較好的除冰防霧性。

（3）油水分離。由于超疏水材料對(duì)于水與油具有完全相反的浸潤(rùn)性，它可以吸收油水混合物中的油污并疏離水分，因而有望在油水分離領(lǐng)域大顯身手，例如海上溢油事故這些典型場(chǎng)景。如圖5所示，當(dāng)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(shí)，對(duì)于經(jīng)超疏水處理的濾膜，油相順利濾過(guò)進(jìn)入容器，而水相則阻隔于濾膜之上（圖5b）；相比之下，對(duì)于未經(jīng)處理的原始濾膜，油相和水相均順利透過(guò)進(jìn)入容器（圖5c）。這一結(jié)果表明，經(jīng)超疏水涂料處理的濾膜可以實(shí)現(xiàn)油水混合物的簡(jiǎn)易快速分離。此外，該體系在高溫、高濕、強(qiáng)酸/堿性和機(jī)械力等極端環(huán)境條件下依舊能保持穩(wěn)定的超疏水性和高分離效率。

圖4經(jīng)超疏水修飾表面的自清潔效應(yīng)（a）和抗污效應(yīng)（b–d）

圖5油水分離的操作示意圖（a）；覆蓋于容器上經(jīng)超疏水處理的濾膜（b）與原始濾膜（c）的實(shí)際分離效果對(duì)比

超疏水涂料的應(yīng)用

將超疏水涂料加工研制成超疏水噴霧劑，可以在皮革、紡織衣物等表面形成一種特殊涂層，不僅可以有效排斥水、油等普通液體，同時(shí)也能夠防止巧克力、奶昔等粘稠性液體的附著，從而保持物體表面的干燥與清潔。

圖6超疏水涂料在生活中的應(yīng)用（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

超疏水涂料可以修飾在不同基體表面，實(shí)現(xiàn)疏水特性的改進(jìn)，因而其研究十分熱門且具有現(xiàn)實(shí)意義。但目前材料的制備成本較高且工藝繁瑣，限制了超疏水涂料的大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。關(guān)于超疏水涂料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，我們首先需要降低制造成本和簡(jiǎn)化制備工藝，并拓展其在不同領(lǐng)域體系應(yīng)用的普適性。隨著相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，相信今后超疏水涂料會(huì)給我們的日常生活帶來(lái)極大便利，“不濕鞋”指日可待。

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