超亲水表面的制备方法

(安徽理工大学材料科与工程学院 安徽 淮南 232001)

一、介绍

湿润性是固体表面的一个固有性质，湿润性的大小是由材料表面的微-纳米结构和化学成分共同决定的[1]。为了制备出材料表面的微-纳米结构，研究者们已经有多种办法。而表面化学成分决定了材料表面的化学能高低，通常高化学能表面是相对亲水的，而低化学能表面是相对疏水的。固体表面湿润性的大小由接触角界定，大于90°为是疏水表面，小于90°为亲水表面，有文献认为亲疏水表面的界定值为65°[2]。小于10°为超亲水表面[3]。

固体表面的超亲水特性因为其可以使水能够很好的固体表面延展开，所以在很多领域有很好的应用，如自清洁、除雾、快速干燥、油水分离等。

众所周知，在光滑的固体表面上，其接触角可由杨氏方程[4]表示：

式中、分别表示固-气、固-液和液-气界面的表面能。杨氏方程也反映了当固体材料的表面能越高，其接触角越大。

Jaroslaw Drelich[5]等人认为自然界中只有很少的超亲水现象是在光滑表面发生的，大多数超亲水现象是由于粗糙的表面结构和表面化学物质共同作用的结构。

二、材料超亲水表面的制备方法

研究者们为了制备出超亲水表面，观察到自然界中的超亲水现象大多是因为材料表面的粗糙结构和其表面的化学物质共同作用的效果。比如松萝凤梨，通过表面粗糙的绒毛状鳞片达到超亲水来更多的吸收水分[6]；泥炭藓表面具有多孔结构，达到超亲水的效果来吸取水分[7]。所以在材料表面构造粗糙结构，附以高表面能的物质，或者是二者结合使用是研究者们制备超亲水的常用策略。

(一)溶胶-凝胶法

溶胶凝胶法是通过原料在溶剂中水解和聚合形成产物的方法。通过工艺的控制，可以得到不同需求形貌的产物。在使用溶胶-凝胶法合成制备中，需要在低温条件下进行。溶胶-凝胶法是制备涂层常用的一种方法。

王乐[8]等通过溶胶-凝胶法成功在玻璃表面制备出粗糙的二氧化硅涂层，通过粗糙涂层可以使玻璃表面接触角达到4.4°；王强峰[9]等通过溶胶-凝胶法二氧化硅纳米粒子引入PAMAM聚合物中，成功在铝基材上制备出超亲水PAMAM聚合物，并且具有良好的防覆冰性能。

(二)电沉积法

电沉积法是通过金属从溶液或熔盐中电沉积，得到涂层的方法。电沉积的难易程度和沉积物的形貌与金属的性质相关。

徐鹏飞[10]等通过电沉积法在铜表面制备出纳米级树枝状结构与微米级孔穴结构复合的多孔超亲水表面，其静态接触角小于5°，并且具有很好的传热性能。刘侨鹏[11]等在铜表面利用电沉积法制备出超亲水表面。

(三)气相沉积法

气相沉积法分为物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉积即用物理的方法，使物质气化，后在基材表面沉积成膜。化学气相沉积即不同的气体混合后在基材上反生反应，后在基材上形成一种新的表面。

董姗[12]等利用气相沉积法在不锈钢基材上生长碳纳米管，热处理后碳纳米管具有粗糙的边平面结构，达到超亲水的性能。Ivan Paul Parkin[13]等利用气相沉积法制备出TiO2-VO2薄膜，在紫外光的照射下达到超亲水的状态。

(四)层层自组装(Layer by Layer Self Assembly)

层-层自组装是利用逐层交替沉积的方法,借助各层分子间的弱相互作用(如静电引力、氢键、配位键等),使层与层自发地缔和形成结构完整、性能稳定、具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构的过程。

Yosuke Tsuge[14]等利用自组装技术在基材上成功合成了TiO2薄膜，其接触角低于5°，达到了超亲水的性能。吴雅露[15]等利用自组装技术在玻璃基材上制备出超亲水、超亲油的双亲特性。

三、结语

材料的超亲水特性在自清洁、防雾、快速干燥、油水分离等方向有着很好的应用潜力。但目前大多数制备方法相对复杂，制备成本高，不利于实际应用；其次目前报道的超亲水材料其耐久性不强，不能长时间保持稳定的结构与性能。未来的研究方向需着重在经济性、耐久性等方向突破。