一盆水潑向一塊金屬板，水珠像鋼珠一樣滾落，金屬板仍然干爽；一只船槳浸入水缸，拿出來竟然未帶出一滴水珠，就像是從沒放進去過一樣；一杯水倒在一塊經(jīng)過特殊處理的玻璃板上，水緊緊靠在中央“不越雷池半步”，即使用手攪出來一兩滴也立即跑回去……

    這些違背我們?nèi)庋?ldquo;常識”的現(xiàn)象，就是“超疏水材料”搗的鬼。這種通過改變材料的表面自由能和表面粗糙度獲得的新型材料，靈感來自于自然界中的荷葉。由于其防水、防腐蝕、抗菌的特殊效果，如今已經(jīng)成為國際熱門的研究領(lǐng)域，可以在環(huán)保、工業(yè)、醫(yī)療等各種你想象不到的領(lǐng)域大展身手。

    一、超疏水簡介

    超疏水技術(shù)是一種具有特殊表面性質(zhì)的新型技術(shù)，具有防水、防霧、防雪、防污染、抗氧化、防腐蝕和自清潔以及防止電流傳導(dǎo)等重要特點，在科學研究和生產(chǎn)、生活等諸多領(lǐng)域中有極為廣泛的應(yīng)用前景。

    超疏水技術(shù)對于建筑工業(yè)、汽車工業(yè)、金屬行業(yè)等的防腐防銹及防污也很有現(xiàn)實意義。特別是近年來的微電子系統(tǒng)、光電子元器件及納米科技等高新技術(shù)的高速發(fā)展，給超疏水涂層的研究和應(yīng)用于勃勃生機。

    超疏水材料的研究以詩句“出淤泥而不染，灌清漣而不妖”為契機，以科學的手段向我們解釋這一奇特的自然現(xiàn)象，荷花表面覆蓋的天然超疏水薄膜，使得水滴聚集成股，順勢流下，沖刷著荷葉表面的淤泥，營造了出淤泥而不染的狀態(tài)。因此荷葉在雨后會變得一塵不染，這種現(xiàn)象在生活中很常見，我們稱之為“荷葉效應(yīng)”。

    二、超疏水現(xiàn)象

    荷葉效應(yīng)--超疏水性原理

    為什么“粗糙”表面能產(chǎn)生超疏水性呢？對于一個疏水性的固體表面來說，當表面有微小突起的時候，有一些空氣會被“關(guān)到”水與固體表面之間，導(dǎo)致水珠大部分與空氣接觸，與固體直接接觸面積反而大大減小。

    由于水的表面張力作用使水滴在這種粗糙表面的形狀接近于球形，其接觸角可達150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滾動。即使表面上有了一些臟的東西，也會被滾動的水珠帶走，這樣表面就具有了“自清潔”的能力。這種接觸角大于150度的表面就被稱為“超疏水表面”。而一般疏水表面的接觸角僅大于90度。

    三、自然界中的超疏水現(xiàn)象

    1999年，Barthlott和Neihuis認為：自清潔的特征是由于粗糙表面上的微米結(jié)構(gòu)的乳突以及表面蠟狀物的存在共通引起的；乳突的平均直徑為5~9um。

    荷葉表面的微/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)

    2002年，江雷等提出微米結(jié)構(gòu)下面還存在納米結(jié)構(gòu)，二者相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)才是引起表面超疏水的根本原因。

    單個乳突由平均直徑為120nm結(jié)構(gòu)分支組成。

    超疏水各向異性的水稻葉子

    水稻葉表面存在滾動的各向異性，水滴更容易沿著平行葉邊緣的方向流動。

    超疏水的蟬翼表面

    蟬翼表面由規(guī)則排列的納米柱狀結(jié)構(gòu)組成，納米柱的直徑大約在80nm，納米柱的間距大約在180nm，規(guī)則排列納米突起所構(gòu)建的粗糙度使其表面穩(wěn)定吸附了一層空氣膜，誘導(dǎo)了其超疏水的性質(zhì)，從而確保了自清潔功能。

    超疏水的水黽腿

    水黽，通過其腿部獨特的微納米復(fù)合階層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超疏水和高表面張力。

    四、超疏水性的兩個仿生原理

    蓮花效應(yīng)：“出淤泥而不染”是蓮葉表面的一種特性，它不但擁有超疏水的性質(zhì)，還同時具備自潔的功能，這一切都源自于蓮葉表面的維納雙尺度結(jié)構(gòu)。科學及根據(jù)這種特性來制造納米超疏水仿生材料。

    物體的表面不存在絕對的光滑，水滴會在表面鋪張開來浸潤表面。

    蓮葉表面有著很多納米級的小觸角，這些觸角之間的間隙小刀甚至不能容納水滴，進而形成液體、氣體、固體的混合形式，“撐”起了水滴。

    事實上蓮葉表面還有一層生物蠟，同樣起到疏水的作用，獨特的表面微納結(jié)構(gòu)和生物蠟共同造就了蓮葉的超疏水性。

    豬籠草效應(yīng)：豬籠草依靠獨特的方式“捕捉”昆蟲。豬籠草會分泌一種香甜的粘液，而其實這種液體非常濕滑，昆蟲一不小心就會滑到“瓶底”，最后被消化。

    蓮葉和豬籠草的超疏水特性給這種仿生材料帶來兩種制備方法：通過改變物體表面來達到超疏水的效果，或是通過增加一層超疏水涂層來獲得超疏水特性。

    五、超疏水表面

    超疏水表面的種類

    黏附力響應(yīng)性超疏水表面：可用于微流體開關(guān)、液滴輸送和傳感器等方面

    耐腐蝕超疏水表面：在工業(yè)上有著重要應(yīng)用，尤其是用于金屬防護

    超親油和超疏油表面：在油水分離方面有著很好的應(yīng)用前景

    透明超疏水涂層：可作為飛機、汽車等擋風玻璃、眼鏡片、墻體玻璃等表面涂層

    超疏水表面的制備方法

    等離子刻蝕法、模板法、電化學方法、溶膠-凝膠法、熔化-固化法、腐蝕法、相分離法、化學氣相沉積法、溶劑-非溶劑成膜、其他方法。

    六、超疏水材料的應(yīng)用

    在建筑防污耐水等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

    如用于室外天線、光電轉(zhuǎn)換器及太陽能帆板上可以防止雨雪的粘附；在船舶提高浮力方面的應(yīng)用，利用新型超疏水材料制成的超級浮力材料，可以使船表面具有超疏水性，并因此在其表面形成具體版的“空氣墊”；

    在管道運輸方面的應(yīng)用

    如用于石油管道的輸送，藥物輸液器；

    在織物及過濾材料方面的應(yīng)用

    超疏水織物可被用作防雨/雪服、軍用作戰(zhàn)服以及帳篷；

    在微流體控制方面的應(yīng)用

    用于微量注射器針尖，可以完全消除昂貴的藥品在針尖上的黏附及由此帶來的對針尖的污染；

    在電池和燃料電池方面的應(yīng)用

    如采用經(jīng)超疏水涂屢修飾的硅材料作為電池的兩個電極，從而有效的將液體電解質(zhì)從活性電極材料上分離而阻止了電極反應(yīng)的發(fā)生，這樣延長了電池的保質(zhì)期。

    船只等在水面航行時需要消耗很多的能源來克服行進中的摩擦阻力，對于水下航行體如潛艇等甚至可達到80%;而對于運輸管道如輸油（水）管道，其能量幾乎全部被用來克服流固表面的摩擦阻力。隨著微機電的發(fā)展，機構(gòu)尺度越來越小，固液界面中的摩擦力相對越來越大，如微通道流等摩擦阻力問題已成為相關(guān)器件發(fā)展的一個重要的制約因素。因此盡量減少表面摩擦阻力是提高航速和節(jié)約能源的主要途徑。近年來利用超疏水表面減阻的研究越來越受研究者的重視。如利用超疏水硅表面進行減阻研究中發(fā)現(xiàn)，減阻可達30%-40%。利用改性硅橡膠和聚氨酯樹脂為主，添加低表面能無機填料或有機填料，在制成的雙組分涂料的疏水表面減阻的實驗中發(fā)現(xiàn)，在相對較低的流速時，其最大表面減阻可達30%，但隨著流速的增加這種減阻效果下降，原因歸于表面粗糙度的影響。目前，有關(guān)這方面的研究有待進一步深入。

    七、超疏水材料的產(chǎn)業(yè)鏈

    上游：聚酰亞胺、聚異丙基丙烯酞胺、含氟聚合物等

    中游：超疏水材料

    下游：石油管道、建筑房屋、電池、超疏水織物、微量注射器等

    八、超疏水材料的專利分析

    九、超疏水材料市場分析

    ①優(yōu)勢分析

    我國目前材料消費市場以新型環(huán)保為消費理念；其次，超疏水材料可以分別應(yīng)用于日常生活領(lǐng)域、醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及國防事業(yè)領(lǐng)域，其涉及面廣泛，可以更加優(yōu)越的采取“多品牌”策略，以各種不同的產(chǎn)品敲開不同的市場之門，緩解競爭壓力。宣傳推廣的優(yōu)勢。

    ②弱勢分析

    超疏水材料技術(shù)，對其深入了解的人群僅限于研究人員及知識分子，并不為大多數(shù)人所知曉，因此，推廣難度大。

    目前，大多數(shù)制備方法還存在實驗條件苛刻、步驟繁瑣、成本高等問題，現(xiàn)已投入市場的超疏水材料也存在如表面微細結(jié)構(gòu)強度低、易老化、易磨損、易污染、使用壽命短等缺點。

    ③機會分析

    國家政策的支持：從我國國情和科技、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)出發(fā)，現(xiàn)階段選擇節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料和新能源汽車七個產(chǎn)業(yè)，在重點領(lǐng)域集中力量，加快推進；科學技術(shù)發(fā)展迅猛國家提倡強化科技創(chuàng)新，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力，因而給超疏水材料的發(fā)展營造良好的國內(nèi)發(fā)展環(huán)境；國家支持發(fā)展小微企業(yè)及新興企業(yè)，同時，加大財稅金融等政策扶持力度，引導(dǎo)和鼓勵社會資金投入。

    ④威脅分析

    超疏水材料的研究成本偏高；其次，在投入生產(chǎn)時就需要有資金實力強的大廠商，出現(xiàn)進入門檻高的現(xiàn)象；最后，為實現(xiàn)超疏水材料的質(zhì)量、性能等方面的優(yōu)良，就需要具有相關(guān)專業(yè)知識和理論基礎(chǔ)的技術(shù)人員，這也加大了其成本費用。

    打破高價格障礙是超疏水材料進入市場的關(guān)鍵，價格的挑戰(zhàn)促使超疏水材料研究者致力于開發(fā)低成本的新型材料，以推動其產(chǎn)品的市場化進程。

    超疏水材料在保持其高價格的同時也要看到其優(yōu)良的性能和使用壽命帶來的經(jīng)濟效益。與此同時，要努力改進加工技術(shù)，擴大生產(chǎn)規(guī)模，走商品化的生產(chǎn)化道路，只有在生產(chǎn)規(guī)模達到一定水平后，超疏水材料才能達到企業(yè)所接受的水平。

    由于材料市場的可替代品多，且價格的層次不齊，產(chǎn)品收篇會大打折扣。

    ⑤前景分析

    首先，依賴簡單經(jīng)濟，環(huán)保友好的制備方法，順應(yīng)“綠色環(huán)保科技”的發(fā)展理念，率先給民眾樹立良好的產(chǎn)品形象，潛移默化地贏得顧客青睞。

    其次，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，制作的產(chǎn)品貼合群眾生活，從日常生活領(lǐng)域拓展產(chǎn)品的深入步伐，其拓展領(lǐng)域之大可想而知。

    最終，在工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域逐漸打開市場，進行市場的全方位經(jīng)營。總之，超疏水材料的優(yōu)良性能是其深入市場的利劍，只要把握好其對象。定會迅速搶占市場先機。

    十、超疏水材料的研究前沿

    疏水疏油的超雙疏表面：事實上很多疏水材料都沒有辦法躲過油脂帶來的影響，后者會污染超疏水層而使得材料表面喪失超疏水性。現(xiàn)在已經(jīng)有科學家研究制備能夠在被油污染的情況下仍能保持超疏水性和自潔能力的超雙疏材料。而該原理為“豬籠草效應(yīng)”。

    高強度超疏水涂層：超疏水材料的另一個問題是硬度和耐久度差，使用壽命不長。為此科學家使用了很巧妙的方式來解決這個問題。方法就是在超疏水涂層的底下增加一層噴膠，這種改進方法讓超疏水涂層的硬度和耐久度都有很大的提升，即使用砂紙磨、拿刀割，超疏水涂層仍然能保持應(yīng)有的性能。

    萊斯大學的科學家開發(fā)了一種新型超疏水納米材料，可以簡化從水中保護材料表面的過程。該材料采用改性的羧酸包覆合成的氧化鋁納米顆粒，這種羧酸中的鏈具有疏水效果，從而形成粗糙表面。這種粗糙表面是疏水材料的一個特征，可以捕捉一個空氣層，從而減少了表面和水滴之間的接觸，使得水滴可以滴落；具有的接觸角是155°，從而是一種非常好的疏水涂層。這種材料的潛在應(yīng)用包括可用于海洋的減小摩擦涂層。該材料具有分層結(jié)構(gòu)，從而可以維持這種材料的特性。

    十一、超疏水材料的研究展望

    ①存在的問題

    成本高。材料的開發(fā)涉及較貴的低表面能物質(zhì)，如含氟或硅烷的化合物；

    制作疏水材料的設(shè)備要求高、條件苛刻、周期長；

    由于表面特殊的微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致機械強度差，易被外力破壞，限制了使用

    疏水性持久性不強，已被油性物質(zhì)污染。

    ②發(fā)展方向

    既疏水又疏油的超雙疏材料研究，即要實現(xiàn)通過外部刺激實現(xiàn)表面自由能的切換或開關(guān)功能；

    表面微結(jié)構(gòu)的幾何形貌、尺寸與表面浸潤性，尤其是與滯后角直接聯(lián)系的定量研究還有待深入；

    應(yīng)用領(lǐng)域有待拓展；

    低成本化；

    實用性的加強。

    十二、國內(nèi)知名研究企業(yè)

    目前，國內(nèi)比較知名的超疏水材料企業(yè)有：無錫順業(yè)科技有限公司、杭州旭冉科技有限公司、廣州弘中環(huán)保科技有限公司、上海微譜化工技術(shù)服務(wù)有限公司等。