摘  要：

近年來，超疏水材料以其優(yōu)越的性能，超強的疏水能力，在家電行業(yè)的應(yīng)用前景越來越廣泛，引起了該領(lǐng)域?qū)＜业臉O大關(guān)注。本文總結(jié)歸納了超疏水材料的疏水機理和研究現(xiàn)狀。最后，對超疏水材料在家電行業(yè)的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：超疏水；家電行業(yè)

Abstract：Recently, the super-hydrophobic surfaces have attracted the researchers’significant attention due to their excellent performances and super-hydrophobic capabilities. They show a wide application prospect in appliance industry. This paper summarizes the mechanism and research progress of the super-hydrophobic materials. In addition, the future development of them applied in appliance industry is presented.

Key words：super-hydrophobic; household appliance industry

落在荷葉上的雨滴不能安穩(wěn)地停留在荷葉表面，而是縮聚成大大小小的水珠并滾落下來，水珠在滾動的過程中會帶走葉片表面的灰塵。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)”[1]。因此，科研工作者從中獲得靈感和啟迪，對超疏水表面展開大量的研究。

近年來，有關(guān)超疏水表面的制備及其性能方面的研究，成為了材料科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注熱點，發(fā)展極其迅速。超疏水材料以其優(yōu)越的性能，超強的疏水能力，在家電行業(yè)中有著越來越廣泛的應(yīng)用前景。

1 疏水機理

1.1 超疏水表面的特征

自然界中的很多植物葉片，如荷葉、粽葉、水稻葉、花生葉等，都具有超疏水能力。通過掃描電鏡觀察（圖1（a）），這些葉片的表面并不光滑，而是分布著很多微納米凸起。通過圖1（b）可以看出，直徑約為125 nm的納米枝狀結(jié)構(gòu)分布于直徑約為7 μm 的微米級的乳突結(jié)構(gòu)上，形成分級構(gòu)造。同時，葉面還覆蓋有一薄層蠟狀物，其表面能很低[2]。當(dāng)雨水落在葉片表面時，凸起間隙中的空氣會被鎖定，雨水與葉面之間形成一層薄空氣層，這樣雨水只與凸起尖端形成點接觸，表面黏附力很弱。因此水在表面張力作用下可縮聚成球狀，并能在葉片表面隨意滾動。而灰塵與葉片也為點接觸，表面黏附力很小，很容易被水珠帶走。在分級構(gòu)造和蠟狀物的聯(lián)合作用下，葉片得以實現(xiàn)超疏水性和自清潔功效[2]。除了植物之外，自然界中的許多動物體表面也具有很強的疏水和自清潔功能，如鴨子羽毛、蝴蝶翅膀、水上蜘蛛、水黽、蟬等。房巖[3] 等人發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀表面較強的疏水性是翅膀表面微米級鱗片和亞微米級縱肋綜合作用的結(jié)果。通過高倍掃描電鏡觀察，蝴蝶翅膀表面由多個鱗片覆瓦狀排列組成，鱗片表面由亞微米級縱肋及連接組成，形成階層復(fù)合結(jié)構(gòu)，鱗片的縱肋橫截面均為規(guī)則的三角形。當(dāng)水滴滴落到翅膀表面時，大量的空氣被圍困于亞微米級的間隙中，在翅膀表面形成了一層空氣薄膜，使水滴與翅膀不能充分接觸，從而使蝴蝶翅膀具有超疏水功能。

1.2 超疏水理論

靜態(tài)接觸 角[4] 是衡量固體表面疏水性的重要指標(biāo)之一，它是指在固、液、氣三相交界處，由氣/ 液界面穿過液體內(nèi)部至固/ 液界面所經(jīng)過的角度，是潤濕程度的量度，用α 表示，如圖2。90°的α值是判斷固體表面親水與疏水的臨界值：

1）α<90°，固體表面是親水性的；

2）α>90°，固體表面是疏水性的；

3）特別地，當(dāng)θ>150°時，水滴很難潤濕固體，

而且容易在其表面隨意滾動，這樣的表面被稱為超疏水表面，具有自清潔性能的超疏水表面是近年來的科研熱點。接觸角是表征固體表面疏水性能的靜態(tài)指標(biāo)，除此之外，衡量固體表面的疏水性能的動態(tài)指標(biāo)是滾動角，其數(shù)值越小，表明疏水性越好，相應(yīng)的自清潔功能越優(yōu)異。如圖3 所示，將液滴放置在水平的固體表面，將表面沿著一定方向緩慢傾斜，當(dāng)液 滴在傾斜的固體表面上剛好要發(fā)生滾動時，傾斜表面與水平面的夾角就是滾動角的大小，以β 表示[4]。對于理想的固體表面（光滑、平整、均勻），固體、氣體、液體界面件表面張力會達到平衡，體系總能量趨于最小，Young’s 方程給出了接觸角與表面能之間的關(guān)系[4]：

γ s, g = γs, l + γg, l cosθ （1）

公式中γ s, g , γs, l , γg, l分別代表固氣、固液、氣液間的界面張力。由上式可以看出，接觸角越大，固體的表面能越小。要想增強材料表面的疏水性，可以采取降低表面能的方式，增大其與液體的靜態(tài)接觸角。然而，僅憑降低材料表面能這一措施，無法獲取良好的超疏水效果，甚至是使用具有最低表面能的含氟物質(zhì)修飾光滑固體表面，其接觸角也不會超過120 ° [5]。

實際上，固體表面都是非理想表面，其粗糙構(gòu)造是影響疏水性的關(guān)鍵因素，因此必須對其加以考慮。關(guān)于粗糙表面的浸潤性（親水/ 疏水性），目前有兩種理論：Wenzel 和Cassie 理論。

假設(shè)粗糙表面是凹凸相間的結(jié)構(gòu)，按照Wenzel 的理論，液體會填滿粗糙表面的凹槽，是一種完全接觸潤濕，如圖4 所示，實際的固液接觸面積大于表觀接觸面積，增加表面粗糙度可以提高其疏水性能。根據(jù)Cassie 的觀點，由于凹槽內(nèi)截留有大量空氣，水滴無法滲入其中，導(dǎo)致空氣滯留在表面凹陷處，形成氣- 液- 固復(fù)合接觸，如圖5 所示，該模型可用下式解釋說明[4]：

cosθ* = (1-f)( cosθ+1)-1 （2）

式中的θ* 和 θ 分別是水滴與粗糙表面和光滑表面的接觸角，f 是滯留于粗糙表面的氣體相分率。根據(jù)上式，隨著f 值增大，即越多的氣體滯留于粗糙表面凹槽之間，水滴與表面的接觸面積隨之減小，就越難滲入到表面內(nèi)部，導(dǎo)致大的接觸角[2]。因此，獲取超疏水表面的最好方式就是改變固體表面的微觀形貌。一個顯示出優(yōu)異性能的超疏水表面，其與水滴的接觸角大于150 °，滾動角小于5 °，這種疏水性能是其表面的顯微結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成雙重作用的產(chǎn)物。制備超疏水表面一般從兩個方面入手[6]。一方面，直接在低表面能材料如氟碳化合物、硅樹脂以及其它一些有機化合物的表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)。另一方面，通過對具有高表面能的固體表面進行粗糙化，然后用低表面能物質(zhì)（如氟硅烷）進行化學(xué)修飾。基底材料主要包括無機材料、金屬及其氧化物等。不管采用何種方式，制備具有理想粗糙度的表面是極其關(guān)鍵的一步。目前，超疏水表面的粗糙化處理技術(shù)主要有[6] 刻蝕法、模板法、溶膠- 凝膠法、靜電紡絲法、水熱法、化學(xué)沉積法、腐蝕法、相分離與自組裝法等。

2 超疏水表面在家電行業(yè)的應(yīng)用前景

基于大自然賦予的靈感，科研工作者將這種神奇的“荷葉效應(yīng)”引入到材料領(lǐng)域。從目前的文獻報道來看，國內(nèi)外關(guān)于制備超疏水表面的相關(guān)理論研究和制備技術(shù)發(fā)展已逐漸趨于成熟，已經(jīng)利用多種方法制備出了多種性能優(yōu)異的超疏水性表面，主要涵蓋具有超疏水性能的薄膜、涂層以及織物等等。它們在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中都有著及其廣闊的應(yīng)用前景[4,7]。例如，將其應(yīng)用于石油管道中，可以防止石油對管壁的粘附，從而減少運輸過程中的損耗并防止石油管道堵塞；作為汽車、飛機、航空器等的擋風(fēng)玻璃，不僅可以減少空氣中灰塵等污染物的污染，還能夠使其在高濕度環(huán)境或雨天保持干燥；用于水中運輸工具，可以減少水的阻力，提高行駛速度；用于微流體裝置中，可以實現(xiàn)對流體的低阻力、無漏損傳送；用于微量注射器針尖上，可以完全消除昂貴的藥品在針尖上的黏附及由此帶來的針尖污染。基于超疏水材料的優(yōu)異性能及廣泛用途，設(shè)想將其應(yīng)用到家電設(shè)備上，有望解決困擾家電行業(yè)多年的技術(shù)難題。

2.1 超疏水材料在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)今社會，空調(diào)已成為高度普及的家用電器。空調(diào)夏天制冷時，換熱器上會產(chǎn)生大量冷凝水，需要專門的排水管將其排到室外，這不僅降低了空調(diào)的能效比，而且容易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是冷凝水會帶走大量能量，造成室內(nèi)的空氣濕度不斷減小，導(dǎo)致人們生活、工作的環(huán)境惡化。同樣，冬天制熱時，室外機換熱器會結(jié)霜，霜層的存在會增加換熱熱阻，降低傳熱系數(shù)，對換熱系統(tǒng)造成一定的危害。為了除霜不得不經(jīng)常停掉空調(diào)，這不僅浪費電能還容易出現(xiàn)制熱失效等各種故障。因此，防凝露和除霜控制是空調(diào)制冷行業(yè)方興未艾的研究課題。受到超疏水表面特殊結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，許多學(xué)者開展了超疏水抑霜的研究。

Liu[8] 等利用磁控濺射技術(shù)制備了一種具有類似荷葉表面的微納米二元結(jié)構(gòu)的超疏水表面，水滴在超疏水表面上的接觸角高達162 °。對這種疏水表面上的結(jié)霜過程進行了實驗研究，結(jié)果表明增強表面疏水特性可以在一定程度上延緩初始霜晶的出現(xiàn)并影響霜層的結(jié)構(gòu)，但這一影響僅局限于結(jié)霜初期，一旦冷表面被霜層覆蓋，表面的疏水特性不再起任何作用。徐文驥[9] 等采用中性電解液，通過電化學(xué)加工技術(shù)及氟化處理方法制備出鋁基體超疏水表面，接觸角達到160 °，滾動角小于5 °，并在其上進行了結(jié)冰和結(jié)霜研究。結(jié)果表明：該超疏水表面經(jīng)過50 多次結(jié)霜、除霜后，仍具有很好的超疏水性能，表現(xiàn)出良好的重復(fù)性和耐久性；與普通鋁表面相比，鋁基體超疏水表面具有明顯的延緩結(jié)冰霜作用，霜晶先出現(xiàn)在四周邊緣處并逐漸蔓延到中間，霜層疏松，結(jié)構(gòu)脆弱，在外力作用下可輕松去除，但抑霜能力隨著冷表面溫度的降低而減小。由于部分超疏水表面在冷凝階段喪失疏水性從而喪失抑霜性能，大大地限制了超疏水表面在抑制結(jié)霜方面的潛力。納米結(jié)構(gòu)超疏水表面較好地解決了上述問題。丁云飛[10] 制備了7 種分別具有單純微米顆粒結(jié)構(gòu)、微米顆粒/ 納米纖維混合結(jié)構(gòu)和單純納米纖維結(jié)構(gòu)的疏水表面。結(jié)霜實驗發(fā)現(xiàn)，綜合對比霜晶出現(xiàn)時間和覆蓋率，全納米結(jié)構(gòu)的表面抑霜效果最好，這可能是由于納米微結(jié)構(gòu)足夠小，冷凝液滴不能夠侵入到微結(jié)構(gòu)間隙里。然而納米粗糙結(jié)構(gòu)的特點不僅如此，其上冷凝液滴的自發(fā)彈跳現(xiàn)象和由此引發(fā)的快速除霜方法為超疏水表面的實際應(yīng)用帶來更大可能性[11]。

2.2 超疏水材料在冰箱、冷柜領(lǐng)域的應(yīng)用

冰箱（冷柜）也是必備的家用電器，但是其內(nèi)膽表面凝聚冷凝水、結(jié)霜、結(jié)冰的現(xiàn)象一直是困擾該行業(yè)的一個難題，這種現(xiàn)象不僅使導(dǎo)熱率降低，耗費電能，也不利于制冷并影響食物保存，為此我們要經(jīng)常的定時關(guān)機開門以除冰除霜。凝露現(xiàn)象通常是有害的，有可能導(dǎo)致微生物和細菌滋生，而現(xiàn)在的高端冰箱內(nèi)飾件為了追求一種美觀和實用性，通常結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不方便拆卸，使清潔工作的難度增加。為避免內(nèi)膽表面出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象，若采用特殊工藝，在內(nèi)膽和內(nèi)飾件上涂覆納米超疏水材料涂層，小水滴在內(nèi)膽和內(nèi)飾件表面上自動滑落，不會在上面沉積，也不會出現(xiàn)冰層現(xiàn)象。除此之外，冰箱內(nèi)表面具有很強的自清潔功能，臟東西就不容易粘在上面，使其更容易清潔。制冷系統(tǒng)輸送流體時，為了克服管道阻力需要消耗大量的能量，如果采用納米技術(shù)將系統(tǒng)制冷回路的內(nèi)表面制成具有超疏水能力的表面，則可大大減少流體壓降，大大提高換熱率，進而達到節(jié)能的目的，具有巨大的潛在經(jīng)濟價值[12]。

2.3 超疏水材料在廚房設(shè)備上的應(yīng)用隨著生活水平的提高，現(xiàn)代廚房小家電的種類一應(yīng)俱全，給人們的傳統(tǒng)生活帶來了巨大變化，但是在享受先進科技帶來的便捷的同時，廚具的清洗成了家庭主婦們頭疼的難題，例如電飯煲的內(nèi)表層上粘著的米粒不易清洗、抽油煙機的外表面油垢難于擦拭......但是如果將其表面采用超疏水/油材料處理，將會有效地解決上述難題。

2.4 超疏水材料在電視衛(wèi)星天線上的應(yīng)用

我國北方是高降雪地區(qū)，有時候積雪可達一尺多厚，若覆蓋在屋頂?shù)男l(wèi)星接收天線上的積雪得不到及時的清理，會導(dǎo)致無法正常收看電視節(jié)目，給人們生活帶來諸多不便。但如果天線表面采用超疏水材料，雪花落在天線表面就融化滑落而不會產(chǎn)生積雪問題[7]，同時避免清理的麻煩。

2.5 超疏水材料在其它家用電器上的應(yīng)用

納米超疏水材料具有優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，其在鋰離子電池和平板顯示器等方面具有遠大的發(fā)展前景。

3 結(jié)論

近年來，納米超疏水材料成為當(dāng)今國際上一項用途廣、經(jīng)濟價值大的尖端技術(shù)，在很多領(lǐng)域如工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人民生活中已經(jīng)得到一些應(yīng)用，對改善人類生活質(zhì)量做出了一定貢獻。基于其優(yōu)異的疏水性能及自清潔功效，納米超疏水材料在家電領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用價值，有望解決空調(diào)凝露、冰箱除霜等一系列專業(yè)難題。將來，隨著理論研究的不斷深入，以及制備工藝的優(yōu)化和制備方法的創(chuàng)新，其在家用電器及其它行業(yè)上的應(yīng)用將會越來越廣泛。

參考文獻

[1] F. Lin, S. Li, Y. Li, H. Li, etc. Super-Hydrophobic Surfaces: FromNatural to Artifi cial [J]. Adv. Mater., 2002, 14, 1857-1860.

[2] Wang T, Chang L, Yang S, et al. Hydrophobic properties of biomorphic carbon surfaces prepared by sintering lotus leaves[J].

Ceramics International, 2013, 39 (7): 8165.

[3] 房巖, 孫剛, 王同慶, 叢茜, 任露泉. 蝴蝶翅膀表面非光滑鱗片對潤濕性的影響[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）, 2007, 37(3) 582-586.

[4] 陳鈺, 徐建生, 郭志光. 仿生超疏水性表面的最新應(yīng)用研究[J]. 化學(xué)進展, 2012, 24(5): 696-708.

[5] N.A. Patankar. On the Modeling of Hydrophobic Contact Angles on Rough Surfaces[J]. Langmuir, 2003, 19(4): 1249-1253.

[6] 常麗靜. 遺態(tài)法制備植物葉片結(jié)構(gòu)超疏水表面及其性能研究[D]．南京：南京理工大學(xué), 2014．

[7] 郭春芳. 超疏水性材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J]. 材料研究與應(yīng)用, 2010,4(03)：161-163.

[8] Liu Z L, Gou Y J, Wang J T, etal. Frost formation on a superhydrophobic surface under natural convection conditions[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, 51:5975-5982.

[9] 徐文驥, 宋金龍, 孫晶, 竇慶樂. 鋁基體超疏水表面結(jié)冰結(jié)霜特性研究

[J]. 制冷學(xué)報, 2011, 32(4): 9-13.

[10] 丁云飛, 殷帥, 廖云丹, 等. 微納結(jié)構(gòu)超疏水表面結(jié)霜過程及抑霜特性[J]. 化工學(xué)報, 2012, 63(10): 3213-3219.

[11] 陳小姣, 武衛(wèi)東, 汪德龍. 超疏水表面抑制結(jié)霜研究進展[J]. 表面技術(shù),2015, 44(2): 87-92.

[12] 王躍河. 納米超疏水技術(shù)在制冷領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[J]. 研究探討,2006, 10: 40-42.