超疏水表面最初的灵感来源于“荷叶效应”。20 世纪90 年代，德国植物学家波恩大学Barthlott等揭示了荷叶表面的结构，发现荷叶的“自洁性”源于其表面的微纳结构，荷叶表面具有微米级的乳突，乳突上有纳米级的蜡晶物质，这种微-纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角，导致水滴极易滚落。

因为水滴在超疏水材料表面滚落时可带走污染物，使材料表面保持清洁。因此超疏水材料具有防水、防腐蚀、防冰以及防附着等多重特性。

荷叶表面除具有超疏水特性——“荷叶效应”之外，还呈现荷叶表面超疏水、底面亲水的（Janus）润湿性特性。模拟荷叶表面这种特性进行具有显著润湿性差异Janus膜表面构筑，目前研究开展的还相对较少。

近日，一个土耳其-德国联合研究团队以滤纸为多孔基底，通过单面修饰聚二甲硅氧烷（PDMS）/无机微纳颗粒（粒径范围从数纳米到数十微米），简便构筑了具有超疏水/亲水显著润湿性差异的Janus纸。这种纸具有优异的化学稳定性、机械稳定性和柔韧性，同时保持良好的透气性，在伤口处理等方面具有较大的应用前景。

Janus纸构筑过程示意图

研究人员选用Whatman No. 1滤纸和实验室工程棉滤纸为基底材料，PDMS、硅纳米颗粒以及玻璃微球混合均匀后采用喷涂技术涂覆到基底表面，经过120 ℃加热交联处理后PDMS共价接枝到滤纸表面。该侧滤纸表面呈现出超疏水特性（CA~163.1 ± 1.2°）。同时，研究表明混入掺杂三种不同尺寸的无机颗粒（20−60微米、9−13微米、数纳米）对于超疏表面的构筑十分必要，微米级尺寸和纳米尺度的无机颗粒协同提微纳粗糙表面。

为验证PDMS与滤纸基底存在共价键作用，研究人员对加热及未经加热处理的涂层进行索氏提取处理（3 h）。对比实验发现未经加热处理的涂层被完全从基底剥离，而加热处理后的涂层则部分保留在基底表面。EDS测试也表明加热处理使得PDMS与基底产生共价键接。研究人员进一步对Janus纸的内部结构进行了SEM、EDS表征，结果表明在涂层制备过程中涂层组分渗透扩散至多孔滤纸内部形成梯度化学改性结构；这一结构特性有效的保证了Janus纸的溶剂（水）稳定性。Janus纸基于底部保持亲水特性，其整体保持较高的吸水率（80 g/m2）。

涂层与基底共价键接作用验证

Janus纸内部结构表征

基于滤纸、表面硅橡胶涂层组分优异的柔韧性以及基底与涂层存在共价键接界面，结合无机微纳颗粒杂化改性，使得该“两面神”纸表面具有优异的超疏水润湿稳定性。在循环弯曲以及摩擦测试后，该涂层仍能维持其优异的超疏水特性。

表面涂层机械稳定性测试

Janus纸用于伤口包覆

将该图案化的“两面神”纸用作伤口绷带，能够在保持包覆情况实现水性药物的交换，能够显著降低伤口感染率。此外，该“两面神”纸制备方法简便，易于大面积制备，适于商业化生产。

我国超疏水材料的技术

构造超疏水表面有两种方法：

1）在具有微纳米粗糙结构表面上修饰低表面能物质；

2）在具有低表面能的物质表面构造微纳米粗糙结构。

结

LEAD

语

 

 

 

 

超疏水材料的应用范围相当广泛，在各个方面已有一定的发展，其应用前景非常广阔。然而由于受目前技术及开发成本等限制，实际产业化及商品化的还不多。

1）从理论角度考虑，超疏水表面结构的几何形貌、尺寸大小、官能团影响等研究还有待于继续深入。

2）在制备过程中，用到的低表面能物质都比较昂贵，多为含氟或硅烷化合物。

3）在技术方面，主要是表面涂层的耐用性及耐老化问题，许多超疏水结构因不牢固，较易被破坏而丧失超疏水性。

因此，在材料的选择、制备工艺及后处理上，还需进一步深入研究解决。如何使性能降低或被破坏后的超疏水表面自动恢复或重新生成超疏水表面的研究将是此领域的重要研究方向。

参考资料：

1.刘成宝,李敏佳,刘晓杰,陈志刚.超疏水材料的研究进展[J].苏州科技大学学报(自然科学版),2018,35(04):1-8；

2.Superhydrophobic Hybrid Paper Sheets with Janus-Type Wettability， Faculty of Science, Material Science and Technologies；

3.王奔, 念敬妍, 铁璐, 等.稳定超疏水性表面的理论进展[J].物理学报, 2013, 62 (14) :1-15；

4.化工新材料，纳米防水网，X-MOL资讯等。