疏水材料是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)療等各種領(lǐng)域大展身手。

超疏水材料技術(shù)是涉及生物、物理、化學(xué)以及材料等多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)。21世紀(jì)以來，在表面科學(xué)、仿生學(xué)以及多領(lǐng)域?qū)W科的交叉融合推動下，新型超疏水材料層出不窮，其優(yōu)秀的潤濕特性和廣泛的應(yīng)用前景，引起了各國的廣泛關(guān)注。

對于一個(gè)疏水性的固體表面來說，當(dāng)表面有微小突起的時(shí)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。

自清潔表面指表面的污染物或灰塵能在重力或雨水、風(fēng)力等外力作用下自動脫落或被降解的一種表面，基于超疏水原理的自清潔表面主要是指接觸角CA150°、滾動角SA＜10°的類荷葉表面。

這種接觸角大于150度的表面被稱為“超疏水表面”。而一般疏水表面的接觸角僅大于90度。

通俗來說，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(dá)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。

材料的超疏水性越好，水滴在材料表面上越接近球形，與材料的接觸面積越小，越易從材料表面滑落。

此外，水滴在超疏水材料表面滾落時(shí)可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。

疏水涂料常指涂膜在光滑表面上的靜態(tài)水接觸角θ大于90°的一類低表面能涂料，而超疏水涂料是一種具有特殊表面性質(zhì)的新型涂料，是指固體涂膜的水接觸角大于150°并且常指水接觸角滯后小于5°。

構(gòu)造超疏水表面有兩種方法，一是在疏水材料表面上構(gòu)建微觀粗糙結(jié)構(gòu)，二是用低表面能物質(zhì)對微觀粗糙表面進(jìn)行改性。

由于超疏水材料表面的微納結(jié)構(gòu)是決定其超疏水性的主要因素，而這種微觀粗糙結(jié)構(gòu)通常存在強(qiáng)度低、機(jī)械強(qiáng)度差、耐磨性差等問題，容易被外力破壞，導(dǎo)致超疏水性的喪失。因此，提高超疏水材料的耐久性是決定材料品質(zhì)的關(guān)鍵。

通俗來說，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(jìn)而形成液體、氣體、固體的混合形式，“撐”起了水滴。蓮葉表面還有一層生物蠟，同樣起到疏水的作用，獨(dú)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。

荷葉的“自清潔效應(yīng)”

20 世紀(jì)90 年代，德國植物學(xué)家波恩大學(xué)Barthlott等揭示了荷葉表面的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結(jié)構(gòu)，荷葉表面具有微米級的乳突，乳突上有納米級的蠟晶物質(zhì)，這種微-納米級的粗糙結(jié)構(gòu)可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導(dǎo)致水滴極易滾落。

當(dāng)雨水落在葉片表面時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)超疏水性和自清潔功效。

因?yàn)樗卧诔杷牧媳砻鏉L落時(shí)可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。

豬籠草依靠獨(dú)特的方式“捕捉”昆蟲。豬籠草會分泌一種香甜的粘液，而其實(shí)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。

潤滑液的疏水原理

疏水疏油的超雙疏表面：事實(shí)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(xué)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)”。

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(dá)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。

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(diǎn)，在科學(xué)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。

增材制造、材料計(jì)算與模擬仿真等技術(shù)的應(yīng)用，大大簡化了材料表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、構(gòu)造與控制難度，使超疏水材料的制備快速精準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)和性能可控，實(shí)現(xiàn)了材料制備工藝、結(jié)構(gòu)、性能等參量或過程的定量描述，縮短了材料研制周期，降低了研發(fā)成本。

超疏水材料表面的微納結(jié)構(gòu)是決定其超疏水性的主要因素，而這種微觀粗糙結(jié)構(gòu)通常存在強(qiáng)度低、機(jī)械強(qiáng)度差、耐磨性差等問題，容易被外力破壞，導(dǎo)致超疏水性的喪失。另外，在一些場合或長期使用中，表面也可能被油性物質(zhì)污染，導(dǎo)致疏水性變差。耐久性是長時(shí)間保持超疏水性的關(guān)鍵，也是制約超疏水材料實(shí)際應(yīng)用的主要因素。提高超疏水材料耐久性的方法有增強(qiáng)材料表面的機(jī)械穩(wěn)定性、提高材料表面的防油污性能、構(gòu)造自修復(fù)超疏水材料等。

目前，超疏水材料的研發(fā)已不局限于獲得超疏水的單一性能，而是向著多響應(yīng)、可調(diào)控的智能化方向發(fā)展。

將材料表面的特殊潤濕性，如超疏水、超親水、超親油、超疏油等，進(jìn)行多元組合，從而實(shí)現(xiàn)智能化協(xié)同、可調(diào)控和相分離材料的制備，將極大拓展超疏水材料的應(yīng)用范圍，如利用具有超疏水和超疏油特性的超雙疏材料可實(shí)現(xiàn)水性和油性液體的防護(hù)，利用超親水／超疏油或超疏水／超親油材料對油和水截然相反的潤濕性可實(shí)現(xiàn)油水的分離。

超疏水自清潔涂層雖已有工業(yè)化應(yīng)用，但是超疏水性能的穩(wěn)定性和持久性還有待提高，特別是耐水壓沖擊性能還有待研究，以防止經(jīng)暴雨沖刷后破壞表面結(jié)構(gòu)（如將微塵嵌入微納坑內(nèi)），降低超疏水性能。另外，現(xiàn)有的超疏水涂層功能比較單一，如果能在其中摻雜其它功能性粒子，則可大大擴(kuò)大超疏水涂層的應(yīng)用范圍。

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(hù)

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(jī)、汽車等擋風(fēng)玻璃、眼鏡片、墻體玻璃等表面涂層

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

后端則是面對大眾消費(fèi)者,因?yàn)樗麄儫o法將已購買到家中的電器,像在工廠中一樣加熱,因此只能用后期涂抹的方式,而這類型的新涂層就要保證1~2年的壽命。

終端用戶需求的增長和疏水涂料優(yōu)良的性能推動疏水涂料市場的發(fā)展，該市場的增長主要取決于汽車、建筑、船舶、航空航天、醫(yī)療和電子等終端用戶行業(yè)的增長。

在自清潔方面，超疏水材料表面特殊微納米結(jié)構(gòu)使污染物在材料表面的附著力降低，同時(shí)，超疏水材料的防水特性可使表面的水滴滾落時(shí)帶走污染物，保持材料表面的清潔。

合理利用材料的超疏水性以及超親水性，在指定區(qū)域賦予材料不同的潤濕特性，可以用于在沙漠等干旱環(huán)境下作戰(zhàn)時(shí)的飲用水收集，解決人員生存等問題。這種材料可以用在沙漠中取水；如果用在服裝中，可以在高濕度環(huán)境中保持干燥舒爽。

在被油污染的水域獲取水源，需要使用快速、高效的油水分離裝置。近年來，材料表面的潤濕性成為解決這個(gè)困難的關(guān)鍵，一旦材料展現(xiàn)出對油和水不同的潤濕性，如超疏水-超親油性、超親水-超疏油性，則這種材料可用于實(shí)現(xiàn)油水分離。此外，油水分離器還可用于解決海洋石油泄漏等環(huán)境問題。

在防冰方面，超疏水涂層因具有能耗低、適用范圍廣、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而在航空、艦船、電力，通信、能源等領(lǐng)域的防結(jié)／覆冰雪方面顯示出潛在的工程應(yīng)用前景。

超疏水涂層在電力桿的應(yīng)用

1） 在電力桿容易積壓積雪的位置做疏水處理，可大量減少積雪堆積對高壓線塔的破壞也減少偏遠(yuǎn)高壓線的維護(hù)難度。

2） 將疏水性涂料涂于輸電導(dǎo)線外部、電力桿塔，絕緣子等表面，可降低冰在涂層表面的附著力，雖不能完全防止冰的形成，但可使凍雨和雪等凍結(jié)到導(dǎo)線或絕緣子之前就在自然力，如風(fēng)力或?qū)Ь€及絕緣子的擺動力等的作用下自然滑落，或使冰或雪在導(dǎo)線和絕緣子上的附著力明顯降低，以達(dá)到防止覆冰，減少線路因覆冰出現(xiàn)事故。

在防生物附著方面，超疏水材料可以有效防止海洋生物在艦船表面的附著，可以作為艦船防污涂料。傳統(tǒng)防污涂料依靠釋放砷、銅、鉛等金屬離子殺死附著生物，超疏水材料則具有環(huán)保特性，可以減少有色金屬的使用。

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。

空調(diào)夏天制冷時(shí)，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(shí)，室外機(jī)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。

電飯煲的內(nèi)表層上粘著的米粒不易清洗。

抽油煙機(jī)的外表面油垢難于擦拭。

1）由于建筑業(yè)的增長，混凝土基材所用疏水涂料預(yù)計(jì)將在預(yù)測期內(nèi)達(dá)到最高的復(fù)合增長率。混凝土上使用疏水涂層以避免混凝土膨脹、開裂、結(jié)垢和碎裂。這些疏水涂層通過增加水滴與混凝土表面的接觸角來保護(hù)混凝土表面。

2）隨著建筑行業(yè)人力成本增加,再加上需要高空作業(yè),安全問題也亟待解決，超疏水材料的自清潔性有望減少工作人員的室外高空工作的危險(xiǎn)性。

如用于石油管道的輸送，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(yùn)輸過程中的損耗并防止石油管道堵塞。

超疏水織物可被用作防雨/雪服、軍用作戰(zhàn)服以及帳篷；

超疏水（超疏油）布料可應(yīng)用于各類防水透氣型工作服和新型生化防護(hù)服。例如，在執(zhí)行任務(wù)過程中，空軍飛行員、海軍士兵和特種兵等突然浸沒在冷水中會導(dǎo)致體溫下降，是造成人員傷亡的主要因素之一。美空軍研究實(shí)驗(yàn)室與國防部威脅降低局聯(lián)合開展了相關(guān)項(xiàng)目的研究，并于201 0年開發(fā)出基于超雙疏（超疏水和超疏油）布料的生化防護(hù)服。

1）微流體裝置中，可以實(shí)現(xiàn)對流體的低阻力、無漏損傳送。

2）藥物輸液器；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。

1）用于水中運(yùn)輸工具，可以減少水的阻力，提高行駛速度。

2）超疏水材料作為汽車、飛機(jī)、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。

3）超疏水材料如用于室外天線、光電轉(zhuǎn)換器及太陽能帆板上可以防止雨雪的粘附。

4）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”。

1）如采用經(jīng)超疏水涂屢修飾的硅材料作為電池的兩個(gè)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。

2）超疏水涂層可以利用其疏水性提高電池效率及散熱率。超疏水材料用于電池系統(tǒng)的電極隔膜，可將電解液和活性電極材料分隔開，防止副反應(yīng)發(fā)生。

舊金山Mission和Soma地區(qū)的9塊墻壁已經(jīng)涂上了這種疏水的超干涂料，阻止酗酒者公共場合隨地小便行為。

水黽腿表面的微觀多級結(jié)構(gòu)具有超疏水性，可以支撐水黽在水面自由活動。近年來，越來越多的學(xué)者開始研究水黽獨(dú)特的漂浮機(jī)制和高效的劃水方式。在軍事領(lǐng)域，水黽機(jī)器人可以作為微型偵察機(jī)器人，利用在水面快速靈活的運(yùn)動特性執(zhí)行特殊任務(wù)。

防水手機(jī)普遍采用的方法就是密封膠、橡膠圈、納米涂層等。整體看來，手機(jī)防水不難實(shí)現(xiàn)，但目前市面在售的手機(jī)沒有廣泛配備防水功能，原因或是因?yàn)槟壳胺浪幚淼木C合成本較高，包括防水材質(zhì)、手機(jī)設(shè)計(jì)對防水妥協(xié)的成本、實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量檢測成本以及提高制程難度的成本等讓廠商感到猶豫。

在耳機(jī)接口和USB接口的內(nèi)部處理上，早期設(shè)計(jì)通常是在端口處采用防水膠塞來堵住孔隙，但隨著技術(shù)不斷的進(jìn)步，這種設(shè)計(jì)已逐漸被納米薄膜取代。聲學(xué)元件想要實(shí)現(xiàn)防水功能，防水網(wǎng)、減壓腔、密封件等零部件必不可少。設(shè)計(jì)點(diǎn)：在手機(jī)喇叭、聽筒、MIC等發(fā)聲設(shè)備中采用防水透氣膜。

AF鍍膜（Anti-fingerprint Coating，縮寫AF coating），即抗指紋鍍膜，是一種常見的表面處理工藝。

采用AF處理后的表面會呈現(xiàn)出良好的疏水性（水滴接觸角一般110度以上）和疏油性（油滴接觸角一般60度以上），從而使制品獲得光滑的手感、臟污易清潔的效果。

有AF涂層與沒有涂層的屏幕區(qū)別

AF鍍膜是根據(jù)荷葉效應(yīng)，在玻璃等外表面涂制一層納米化學(xué)材料，將其表面張力降至最低，灰塵與外表面接觸面積減少90%，使其具有較強(qiáng)的疏水、抗油污、抗指紋的能力。

手機(jī)屏幕AF鍍膜前后對比

1、防污性：指紋及油污不容易粘附、可輕易擦除；

2、防刮傷：表面滑順，手感舒服，硬度高，不容易刮花；

3、膜層薄：優(yōu)異光學(xué)性能，不改變原有的紋理；

4、耐磨性：具有真度耐磨性能。

Redmi Note 7 Pro整機(jī)采用納米防水鍍層技術(shù)，在手機(jī)表面形成一層均勻的斥水膜，還可以有效降低油、可樂、酒、牛奶、汗液、鹽霧等常見液體對手機(jī)的腐蝕。

1） 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。

2） 制作疏水材料的設(shè)備要求高、條件苛刻、周期長。

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

4）疏水性持久性不強(qiáng)，已被油性物質(zhì)污染。

5）成本高。

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

2） 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。

3） 應(yīng)用領(lǐng)域有待拓展。

4） 實(shí)用性的加強(qiáng)。

5）從“非剛需”到“剛需”。

6）低成本化。

我國目前材料消費(fèi)市場以新型環(huán)保為消費(fèi)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。

1） 超疏水材料技術(shù)專業(yè)化程度較高，對其深入了解的人群僅限于研究人員及知識分子，推廣難度大。

2） 目前，大多數(shù)制備方法還存在實(shí)驗(yàn)條件苛刻、步驟繁瑣、成本高等問題。

3） 現(xiàn)已投入市場的超疏水材料也存在如表面微細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、易老化、易磨損、易污染、使用壽命短，應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性弱，機(jī)械穩(wěn)定性不佳，表面微納結(jié)構(gòu)容易受有機(jī)污物的污染等缺點(diǎn)。

4） 目前超疏水技術(shù)距離大批量工業(yè)化生產(chǎn)，真正商業(yè)化還有很多問題需要解決

1） 超疏水材料的研究成本偏高；其次，在投入生產(chǎn)時(shí)就需要有資金實(shí)力強(qiáng)的大廠商，出現(xiàn)進(jìn)入門檻高的現(xiàn)象；最后，為實(shí)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(fèi)用。

2） 打破高價(jià)格障礙是超疏水材料進(jìn)入市場的關(guān)鍵，價(jià)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(jìn)程。

3） 超疏水材料在保持其高價(jià)格的同時(shí)也要看到其優(yōu)良的性能和使用壽命帶來的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，要努力改進(jìn)加工技術(shù)，擴(kuò)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(dá)到一定水平后，超疏水材料才能達(dá)到企業(yè)所接受的水平。

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

超疏水材料技術(shù)正向智能化、可調(diào)控、多功能及高性能方向發(fā)展，在武器裝備防護(hù)、能源及其他創(chuàng)新領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

未來在多學(xué)科交叉融合發(fā)展的影響下，超疏水材料技術(shù)將與仿生技術(shù)、納米技術(shù)以及材料計(jì)算技術(shù)等緊密結(jié)合，逐步突破機(jī)械性能與耐用性能的應(yīng)用瓶頸，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大應(yīng)用價(jià)值。