超疏水自清洁原理及表面制备方法

1997年，德国波恩大学生物学家NeinhuiS和Barthfott借助显微镜对荷叶表面进行观察研究后发现，荷叶的自清洁能力源于表面独特的微纳米结构以及乳突表面所覆盖的蜡质晶体［2-3］，这种微—纳米级的粗糙结构与蜡质晶体可以大幅度提高水滴在其表面的接触角，使得水滴极易滚落。除了荷叶的自清洁现象之外，银泽菊叶、水稻叶、蝉翼等表面都具有超疏水现象［2，4-5］。

通过对超疏水现象的观察，采用杨氏方程来对超疏水现象进行解释［6］。

方程中γsv、γsl、γlv分别为理想表面上液滴平衡时固—气、固—液、液—气间的表面张力（N/m），θ为水与固体表面的接触角，若θ＜90°，固体表面为亲水；若θ＞90°，固体表面为疏水；若θ＞150°固体表面为超疏水［7］。然而，现实中的固体表面并非理想表面，因此，Wenzel引入了粗糙因子r（固体的真实面积与其表观面积之比）对杨氏方程进行了修正，以更加真实地反映固体表面的润湿现象，这就是Wenzel方程［8］。

式中：r＞1；θn为实际接触角（°）；θ为杨氏接触角（°）。根据Wenzel方程可知，在增加粗糙度后亲水表面将更亲水，疏水表面则更疏水。

Cassie在假设表面的微小孔隙不允许水滴渗入前提下，提出水滴与粗糙面的接触由两部分组成，一部分是液滴与固体表面突起部分直接接触（接触面积为fs），另一部分是与孔隙中的空气垫接触（接触面积为fv），空气与水的接触角为180°，据此推导出方程［9］：

17.用L形刮刀在表面抹匀。(www.xing528.com)

式中：θn为实际接触角（°）；θ为杨氏接触角（°）；表面系数f=fs/（fs+fv）。根据Cassie方程，提高液滴与孔隙中空气垫的接触面积，将会增强固体表面的超疏水性能［10］。

接触角是衡量固体表面疏水性能最为常用的标准，但是若要对疏水效果完整描述还应考虑其动态过程，用滚动角来衡量［11］。

式中：α为滚动角（°）；θa，θr分别为前进角、后退角（°）。

因此，根据自清洁原理，可以得出制备超疏水自清洁表面的方法大致可分为两类：一类是在低表面势能材料上构筑粗糙结构；另一类是用低表面势能材料修饰粗糙表面。具体方法包括：模板法、等离子体处理法、一步浸泡法、腐蚀法、气相沉积法、微机械加工法和静电纺丝法等［12-16］。其中，静电纺丝法因简单有效、适用广泛、能够实现低成本大规模制备超疏水自清洁材料而受到广泛关注。