Material Sciences 材料科学, 2020, 10(9), 713-727
Published Online September 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ms https://doi.org/10.12677/ms.2020.109086
仿生超疏水表面应用及展望研究
王 雷1，余 锦2,3，赵 爽1*，何建国2,3,4，李文月1
12
北京信息科技大学，仪器科学与光电工程系，北京 中国科学院大学，光电学院，北京 3
中国科学院空天信息创新研究院，北京 4
中国科学院计算光学成像技术重点实验室，北京
收稿日期：2020年8月21日；录用日期：2020年9月4日；发布日期：2020年9月11日
摘 要
超疏水表面是指液滴在其表面的接触角大于150?的特殊湿润性表面，在近年来, 那些具有特殊润湿性的超疏水表面引起了一股研究热潮，由于其独特的润湿性能，有着减阻、防水、耐腐蚀等诸多优异性能，在工业及科研领域有着很高的研究和应用价值。本文基于近年来仿生超疏水研究进程，对比了传统超疏水材料加工方式与短脉冲激光加工的不同，以工业化为出发点，从多元化角度介绍分析了超疏水材料在不同的制备方法、不同的功能性应用和其中的潜在问题，并对超疏水材料的应用发展前景系统的进行展望探讨。
关键词
仿生，超疏水，工业化，表面湿润性，应用
Application and Prospect of Bionic Superhydrophobic Surface
Lei Wang1, Jin Yu2,3, Shuang Zhao1*, Jianguo He2,3,4, Wenyue Li1
1
Department of Instrument Science and Optoelectronic Engineering, Beijing University of Information Science and Technology, Beijing 2
University of Chinese Academy of Sciences College of Optoelectronics, Beijing 3
Institute of Aerospace Information Innovation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 4
Key Laboratory of Computational Optical Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing
stthth
Received: Aug. 21, 2020; accepted: Sep. 4, 2020; published: Sep. 11, 2020
*通讯作者。
文章引用: 王雷, 余锦, 赵爽, 何建国, 李文月. 仿生超疏水表面应用及展望研究[J]. 材料科学, 2020, 10(9): 713-727. DOI: 10.12677/ms.2020.109086
王雷 等
Abstract
Super-hydrophobic surface refers to a special wettability surface where the contact angle of the droplet on the surface is greater than 150°. In recent years, those super-hydrophobic surfaces with special wettability have caused a research boom due to their unique wetting properties. It has many excellent properties such as drag reduction, water resistance, corrosion resistance, etc., and has high research and application value in the field of industry and scientific research. Based on the research progress of biomimetic superhydrophobic materials in recent years, this paper com-pares the difference between traditional superhydrophobic material processing methods and short-pulse laser processing. Taking industrialization as the starting point, this paper introduces and analyzes the different preparation methods and functions of superhydrophobic materials from a diversified perspective. The application and potential problems, and the prospects for the application and development of superhydrophobic materials are systematically discussed.
Keywords
Bionic, Superhydrophobic, Industrialization, Surface Wettability, Application
Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
在整个工程及科学领域中，超疏水表面有着十分广泛的应用。超疏水表面一般是代表和表面液滴接触角大小大于150?的表面，这种特殊湿润性表面也普遍存在于自然界[1]。
事实上，2000多年前，人们发现，虽然有些植物生长在泥中，但它们的叶子几乎总是干净的。最典型的例子是荷叶。在荷叶表面的水珠能够快速滚动，而且很容易能够“清扫”表面的灰尘，使得页面变得更干净，如图1。
Figure 1. Enlarged surface of lotus leaf [1] 图1. 荷叶的表面放大图[1]
然而荷叶始终保持清洁的机理却一直不为人们所知，直到20世纪60年代中期扫描电子显微镜(SEM)的发展，人们才逐渐揭开了荷叶“出淤泥而不染”秘密。
DOI: 10.12677/ms.2020.109086
714
材料科学
王雷 等
于1977年，德国伯恩大学Barthlot和Neinhuis [2]用扫描电镜SEM开始了对荷叶的表面微小几何形貌的研究，如图2。在对天然的荷叶进行研究发现，荷叶之所以有着很强的超疏水性能是由于它外表面的微米级微小结构和纳米级细小结构相互组合，再加上它表面上的蜡所构成。与之相似的是，蝴蝶翅膀也同样存在类似的结构。当蝴蝶的翅膀拍打时，水滴会沿着轴的径向滚动，这样水滴就不会弄湿蝴蝶的身体。结果表明，蝴蝶翅膀上覆盖着大量沿轴向辐射方向排列的微纳米尺度，如图3。这样的结构成功的使蝴蝶可以获得平稳的飞行状态。
(a) (b)
Figure 2. SEM image (a) and surface structure diagram (b) of lotus leaf [2] 图2. 荷叶的SEM图(a)和表面结构示意图(b) [2]
Figure 3. SEM image of butterfly [3] 图3. 蝴蝶翅膀的SEM图[3]
在对超疏水的自然界事物进行研究之后可以发现，制备超疏水的表面主要需要两个条件：一是材料表面具有很低的表面能；二是固体材料表面构建一定粗糙度的，具有微米和纳米的双重结构。
超疏水表面因其具备自清洁[2]、油水分离[4] [5] [6]、抗腐蚀[7]、防结冰[8] [9] [10] [11]以及防雾[12]等优秀特性，近几年来备受材料学家的青睐，吸引了大批科学家投入到超疏水材料的研究中。在构建超疏水固体表面时，一般是在低表面能表面上构建粗糙表面或者在粗糙表面上修饰低表面能的物质[13]。
本文以超疏水表面为研究对象，介绍了超疏水表面的主要制备方法，分析对比了不同制备方法的优缺点。同时对超疏水表面的特殊性能进行了详细探讨，并指出了未来的主要发展方向。
2. 超疏水表面的理论基础
固体表面的润湿性对于研究人员来说，是固体表面一个常用且关键的特殊性能 。固体表面润湿性在人们的平日生活中里和一般化工业中都起着关键的作用。这些如潜水服、自洁玻璃、工业矿物泡沫浮选、化学药瓶采集、防水性电子元件、布料的清洗、农业药品使用、虫害的药品喷发、照相用的乳剂、器械
DOI: 10.12677/ms.2020.109086
715
材料科学
王雷 等
用的润滑油等我们比较多见的应用。日常中的油漆使用性能等都与固体润湿性联系十分密切。许多学者研究表明，表面的润湿性是根据其表面化学成分、微形貌以及宏观形貌一起作用的。利用调控和调换材料表面的化学组成和微小结构参数，用表面湿润性特性为人们所利用，这样不管在工业还是其他领域都能有更好的应用。也有许多其他外界影响因子，比方说光、热、磁场、热以及溶剂等对湿润性影响力也是很高的。目前，研究学者常用液体在材料表面观测获得的静态接触角CA度数来表示材料表面的润湿特性。如图4，切线的夹角为静态接触角。
Figure 4. Definition of contact angle [5] 图4. 接触角定义[5]
通常在表面放置一水滴，以水滴对于不同材料表面测得静态接触角度数不同，固体材料有四种分类：静态接触角小于90?，这个材料就定义为亲水材料。静态接触角小于5?，这个材料就定义为超亲水材料。静态接触角CA大于90?，这个时候材料定义为疏水材料表面。这时水滴在材料表面几乎形成球型形状，这时候的静态接触角CA > 150?时，此时材料为超疏水表面材料。荷叶表面就是超疏水材料的最经典例子，荷叶表面接触角大、滚动角(Sliding angle, SA)小，水滴极易滚动，所以才有“出淤泥而不染”之称。滚动角一般地，是学者用来表达水滴滴具有一定倾斜角的材料表面时的表征。具体来说，滚动角是液滴在一定角度的表面时液滴从倾斜表面滚动必须的固体表面的最小倾斜角度。如图5所示是接触角滞后定义图。
图中，θa和θr分别为前进角和后进角，两者的差值Δθ = θa ? θr为接触角滞后值。如果接触角滞后角越大，液滴在表面越不易滚动，相反，接近于0时，水滴越容易滚动，超疏水性能越好。
Figure 5. Schematic diagram of contact angle hysteresis [5]
图5. 接触角滞后示意图[5]
2.1. Young’s模型
假设液体表面外部的力场作用和液体里面的力场作用差异较大。此时因为围绕力场一样种类分子产生的对称力，从而使得液体里面所有的分子能够各自互相对消。然而，与液体的内结构作用的分子不一样，液体分子位于表面区域不都是全部被同一类分子所围绕，所以位于气–液面上分子的受力就是液体
DOI: 10.12677/ms.2020.109086
716
材料科学
王雷 等
内结构的引力。
假设一个分子开始在液体内部穿过到液体表面，这个整体要避免分子之间的吸引力而作功，这样才能增加自由焓。同样的，假设一个液体表面分子需要穿过液体内部时，这个系统的自由焓就会下降。这样才能使系统于能量较低时更稳固，这样的话液体表面总是会自动收缩。
很久之前在19世纪，就有学者利用自然界的表面润湿特性行为开始了理论研究。其实润湿性现象的实质为固、液、气三者的相互影响力产生的，是这三种界面张力相互制约的成果。后来到180年，英国科学家Young最先深入探究了理想的固体表面，也就是对绝对光滑的表面，还有研究对化学成分均匀的固体材料的静态接触尺寸与表面张力之间的关系，以下就是Young’s理论核心方程，公式(1)有：
cos=θ(γsv?γsl)γlv (1)
(1)的方程表明，由着已知的三个界面的表面张力能够推断出固液接触角的大小。而接触角是界面自由能共同影响达到平衡制约的成果。由该方程计算到，标准的理想固体表面上的最大固液接触角只到119?。但是位于实际操作中，根本不存在理论上的绝对光滑而且均匀的固体表面，现实中会有一定的粗糙度。如果根据热力学角度分析，水滴和气体位于绝对光滑固体表面构成的三相体系的自由能慢慢下降。这个三相系统的自由能构成最小，水滴是一个牢固状态，这个时候的静态接触角CA的大小全部是材料表面的自由能确定。汤姆森杨的方程利用热力学角度剖析构建了三相接触点的力学平衡公式。该理论模型的建立也是表面润湿性理论的研究热潮的一大推动力，为后续润湿性理论研究奠定了坚实的基础，更是为后续超疏水理论研究提供了方向。
2.2. Wenzel理论模型
杨氏方程刻画了一个绝对理想固体表面的润湿理论模型，然而所有可应用的理论都是建立在实际中的，所有杨氏方程构筑的理想固体表面并不存在，在实际中，也就不能应用这个模型。我们都知道，所有的实体表面一定会是具有粗糙度的表面，绝对光滑只存在于理论中。而Wenzel最早在1936年提出了有材料表面微结构的影响因子的润湿模型，如图6(a)，图6(b)所示。
(a) (b)
Figure 6. (a), (b) The state of the liquid bead under Wenzel’s theoretical model [5]
图6. (a), (b) Wenzel 理论模型下的液珠状态[5]
固体表面的表面积Sa和射影面积Sp他们的做相除值r能够表征固体表面的粗糙程度，如下式(2)：
r=SaSp (2)
当它们的比值r为1的时候，这样就证明了该表面是光滑的，由此就转换成杨氏理论。所以我们可以根据(1)式子来推出Wenzel模型，如下式(3)：
cosθw=r(γsv?γsl)γsl=rcosθ (3)
DOI: 10.12677/ms.2020.109086
717
材料科学
仿生超疏水表面应用及展望研究 - 图文
