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超疏水涂層 (superhydrophobic coatings)，即水接觸角 (WCA) 大于150°并且滑動(dòng)角 (SA) 或接觸角滯后 (CAH) 小于10°的固體表面涂層，憑借其獨(dú)特的表面浸潤(rùn)特性而備受矚目。隨著材料科學(xué)與表面技術(shù)在各領(lǐng)域的戰(zhàn)略價(jià)值日益凸顯，超疏水涂層的研發(fā)關(guān)注與生產(chǎn)應(yīng)用也越發(fā)廣泛，大到能源設(shè)施、建筑、飛機(jī)、車(chē)輛，小到光學(xué)設(shè)備、服裝飾品、精密儀器、口罩防護(hù)服，都離不開(kāi)其身影。

一、超疏水涂層的優(yōu)勢(shì)性能

1. 防污與自清潔

超疏水涂層因其獨(dú)特的自清潔性能而備受關(guān)注，其作用機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是在低表面能的粗糙表面上，污染物（如灰塵顆粒）與超疏水表面的實(shí)際接觸面積很減小，導(dǎo)致兩者間的附著力大幅降低；二是當(dāng)水滴在表面滾動(dòng)時(shí)，能夠有效捕獲并包裹這些污染物顆粒，并在滾落過(guò)程中將其帶離表面，從而實(shí)現(xiàn)自清潔效果；三是環(huán)境中的重力、風(fēng)力等外力作用也可協(xié)同促進(jìn)污染物的去除。這種優(yōu)異的防污與自清潔特性使其在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在易受污染影響的關(guān)鍵場(chǎng)合，如光伏發(fā)電面板、電子設(shè)備屏幕以及建筑外墻等方面展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

2. 防冰與除冰

覆冰會(huì)對(duì)飛機(jī)、風(fēng)力葉片、輸電線路等的運(yùn)行造成很大的影響。若對(duì)表面進(jìn)行超疏水涂層處理，落在表面的冰晶會(huì)因自身重力或氣流影響而迅速滑落，使得冰晶無(wú)法在表面成形、累積，從而避免事故發(fā)生。此外，不少研究人員將超疏水涂層與光熱材料或相變材料相結(jié)合，還可賦予涂層主動(dòng)除冰的能力。

3. 油水分離

水分離作為一項(xiàng)重要的環(huán)境治理技術(shù)，其傳統(tǒng)分離機(jī)制主要依賴于重力驅(qū)動(dòng)，利用水相和油相在表面潤(rùn)濕性上的本質(zhì)差異實(shí)現(xiàn)分離。大多數(shù)超疏水表面是疏水和親脂的，允許油性液體通過(guò)并阻止水相通過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)高效的油水分離。隨著工業(yè)含油廢水排放量的增加和海上溢油事故的頻發(fā)，開(kāi)發(fā)高效的油水分離技術(shù)已成為當(dāng)前環(huán)境工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。而許多傳統(tǒng)的油水分離方法，如浮選、離心和過(guò)濾等，普遍存在工藝流程復(fù)雜、能耗高、分離效率有限等局限性。因此，開(kāi)發(fā)諸如超疏水涂層的可控潤(rùn)濕性新材料，對(duì)油水分離領(lǐng)域有著重要意義。

4. 防霧

研究人員通過(guò)在表面構(gòu)建微納分級(jí)結(jié)構(gòu)，能使水滴形成高接觸角和低滾動(dòng)角，從而促使表面凝結(jié)的水滴迅速滾落。這一特性可有效防止水滴在表面的附著和聚集，避免因霧滴對(duì)光的散射和反射而導(dǎo)致的視線模糊現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，超疏水涂層的防霧特性已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)重要領(lǐng)域，例如在汽車(chē)擋風(fēng)玻璃、眼鏡片、太陽(yáng)能電池板等光學(xué)器件表面，超疏水涂層可以有效防止霧氣的形成，保持良好的透光性和視覺(jué)清晰度。此外，結(jié)合超疏水涂層的自清潔性能，可通過(guò)滾落的水滴帶走表面灰塵，進(jìn)一步提升防霧效果。

5. 防腐

耐腐蝕超疏水涂層通過(guò)低表面能化學(xué)組分與微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，構(gòu)建了多重防護(hù)體系。其一，低表面能特性賦予涂層超疏水性能，顯著降低腐蝕介質(zhì)（如水、電解質(zhì)）的浸潤(rùn)與附著；其二，微米-納米級(jí)分級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)通過(guò)“荷葉效應(yīng)”增強(qiáng)疏水性，并利用滾動(dòng)水滴的自清潔功能持續(xù)清除表面污染物；其三，涂層致密的物理屏障可有效阻隔腐蝕因子滲透、這種“疏水阻隔-自清潔-物理屏蔽”的協(xié)同機(jī)制，使其在海洋重腐蝕環(huán)境、工業(yè)強(qiáng)腐蝕場(chǎng)景及基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域中展現(xiàn)出長(zhǎng)效防護(hù)能力。

二、超疏水涂層的耐用性提升

盡管超疏水涂層在多種場(chǎng)景中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但由于其對(duì)表面精細(xì)微納結(jié)構(gòu)的高度依賴，使得其在實(shí)際應(yīng)用中的耐磨性、持久性、耐老化性等表現(xiàn)較差，制約了超疏水涂層的大規(guī)模應(yīng)用。為提高其耐用性，目前已有多種改進(jìn)思路。

1. 賦予自修復(fù)能力

具有自修復(fù)能力的超疏水涂層可在機(jī)械磨損下能夠自發(fā)或在一定外力作用下恢復(fù)超疏水能力。這種自修復(fù)能力可通過(guò)材料內(nèi)部的化學(xué)或物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)，主要分為外援型自修復(fù)和本征型自修復(fù)兩種類(lèi)型。

外援型自修復(fù)涂層主要是在涂層中添加包裹修復(fù)劑的微膠囊、形狀記憶材料等物質(zhì)，使超疏水涂層在受到機(jī)械磨損時(shí)，通過(guò)一些動(dòng)力（如溫度、pH、光等）引發(fā)微膠囊釋放修復(fù)劑或形狀記憶聚合物，來(lái)恢復(fù)涂層的結(jié)構(gòu)，維持超疏水性能。

本征型自修復(fù)無(wú)需額外添加修復(fù)劑或催化劑，破損的表面通過(guò)外部刺激（如光、熱、pH等），依靠自身體系中的動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵或物理相互作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)損傷的自修復(fù)功能，從而維持涂層的基本性能。共價(jià)鍵類(lèi)的自修復(fù)主要有二硫鍵、Diels-Alder反應(yīng)、亞胺鍵等，而非共價(jià)鍵類(lèi)的自修復(fù)主要有氫鍵、金屬配位鍵等。

2. 構(gòu)造多層級(jí)微納米結(jié)構(gòu)

微納米結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)表面超疏水的必要條件，然而單一層級(jí)的微納結(jié)構(gòu)較為脆弱，經(jīng)歷機(jī)械磨損后很快失效，導(dǎo)致涂層耐用性較差；多層級(jí)微納米結(jié)構(gòu)不僅增加了超疏水表面增加了微納米結(jié)構(gòu)的厚度，還增加了粗糙度，提升了超疏水性能。表面的微納米結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，可在一定程度上延長(zhǎng)超疏水涂層的使用壽命，通常是在已有一定微納結(jié)構(gòu)的表面上再噴涂微納米顆粒，使得結(jié)構(gòu)層次更加豐富，磨損前后的涂層具有相似的粗糙度，不僅維持了涂層超疏水性，還提升了超疏水表面的耐用性。

3. 引入保護(hù)結(jié)構(gòu)

超疏水涂層的微納米結(jié)構(gòu)可以通過(guò)構(gòu)造保護(hù)結(jié)構(gòu)提高耐用性。通過(guò)特定材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為微納米結(jié)構(gòu)提供一種保護(hù)外殼或骨架，這種結(jié)構(gòu)可以分散涂層中納米顆粒所受到的應(yīng)力，減弱外部的機(jī)械磨損，顯著提升微納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，同時(shí)保持涂層的超疏水特性。

4. 增大交聯(lián)密度

在一定程度上增大交聯(lián)密度可使涂層表面的分子鏈之間連接更加緊密，并且微納米結(jié)構(gòu)也被包覆得更加嚴(yán)實(shí)，提高了涂層的機(jī)械強(qiáng)度與耐磨性，延長(zhǎng)了超疏水涂層的使用壽命。特別地，具有共價(jià)鍵自修復(fù)能力的涂層也會(huì)通過(guò)動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵增加交聯(lián)點(diǎn)，從而增大交聯(lián)密度，結(jié)合自修復(fù)能力，進(jìn)一步提高了超疏水涂層的耐用性。

5. 添加層狀或剛性材料

層狀結(jié)構(gòu)材料（如石墨烯、六方氮化硼）層間作用力較弱，具有一定的潤(rùn)滑作用，可在機(jī)械磨損時(shí)層層之間發(fā)生平移，分散摩擦?xí)r的應(yīng)力，從而在一定程度上降低機(jī)械磨損對(duì)超疏水涂層的破壞。剛性材料（如碳納米管）具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性，摻入涂層后使涂層具有類(lèi)似鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了超疏水涂層的機(jī)械穩(wěn)定性，兩種材料均可提高超疏水涂層的耐用性，并且一些改性過(guò)后的材料還可提高其他方面的性能。

參考文獻(xiàn)

超疏水涂層應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)試劑, 2025, 47(05): 9-20.