在材料科學(xué)的領(lǐng)域中，超疏水表面處理技術(shù)一直備受關(guān)注，其獨(dú)特的性能為眾多應(yīng)用帶來(lái)了新的可能。近年來(lái)，這一領(lǐng)域更是取得了一系列令人矚目的最新成果。
超疏水表面處理技術(shù)的原理與特性
超疏水表面通常是指與水的接觸角大于 150 度，滾動(dòng)角小于 10 度的表面。其實(shí)現(xiàn)超疏水性能的關(guān)鍵在于表面的微觀結(jié)構(gòu)和低表面能物質(zhì)。微觀結(jié)構(gòu)通常包括粗糙的紋理、納米級(jí)的凸起和凹陷等，這些結(jié)構(gòu)能夠有效地捕捉空氣，減少水與固體表面的接觸面積。而低表面能物質(zhì)如氟化物、硅氧烷等則能進(jìn)一步降低表面的自由能，增強(qiáng)疏水效果。
下面將介紹最近一年內(nèi)關(guān)于超疏水表面處理技術(shù)的最新成果。
1. 東南大學(xué)張友法團(tuán)隊(duì)的研究
東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張友法課題組于近期在超疏水涂層應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種單元胞顆粒，將其分散于不同樹(shù)脂中，可同時(shí)賦予涂層超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”為題發(fā)表于國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上。
該單元胞由硬質(zhì)多孔的硅藻土微殼和可釋放的納米種子構(gòu)成，具有獨(dú)特的物化性質(zhì)，可同時(shí)提高涂層的超疏水性和機(jī)械性能，使超疏水涂層的耐磨性和耐沖擊性分別提高30-100倍和120倍。更重要的是，單元胞涂層可防止鹽霧、鹽水、混凝土等不同相物質(zhì)黏附，以及促進(jìn)露滴、霜層脫附，顯著提高換熱器傳熱效率。
2. 清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究
清華大學(xué)材料學(xué)院激光材料研究中心鐘敏霖團(tuán)隊(duì)近期報(bào)道了一種雙能壘高穩(wěn)定性超疏水表面的激光制備方法。該方法通過(guò)雙重復(fù)合微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人為地引入第二 Cassie 狀態(tài)能壘，使其在熱力學(xué)上呈現(xiàn)出雙能壘的 Cassie 狀態(tài)，大大地提高 Cassie 狀態(tài)穩(wěn)定性與防除冰性能，有望用于實(shí)際應(yīng)用。
團(tuán)隊(duì)首先建立了三相界面熱力學(xué)能量計(jì)算模型，探究不同微納結(jié)構(gòu)的形貌與分布對(duì)潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變過(guò)程與熱力學(xué)能量演變的影響機(jī)制。他們采用超快激光分步脈沖注入與化學(xué)氧化復(fù)合的方法，制備出兩組不同類型的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)的納米效應(yīng)單能壘超疏水結(jié)構(gòu)，雙能壘結(jié)構(gòu)具有更高的 Cassie 穩(wěn)定性和更優(yōu)越的防除冰性能。在-15℃的低溫高濕環(huán)境下可以維持過(guò)冷液體不結(jié)冰至少 27000s，且冰粘附強(qiáng)度僅為 0.9 kPa，在連續(xù) 48 次連續(xù)除冰循環(huán)后仍能維持約 20 kPa。
3. 湖北工業(yè)大學(xué)劉頓教授團(tuán)隊(duì)的研究
湖北工業(yè)大學(xué)劉頓教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際材料科學(xué)領(lǐng)域知名期刊《Composites Science And Technology》上發(fā)表了超疏水表面領(lǐng)域最新成果。該研究創(chuàng)新地采用激光處理和化學(xué)改性相結(jié)合的方法，在柔軟的硅橡膠基底上制備了具有周期性陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)合超疏水表面。此表面具有優(yōu)異的耐磨損性能，并在外力摩擦、風(fēng)沙沖擊、酸堿腐蝕等各種惡劣條件下保持良好的超疏水性能。
4. 溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院的成果
據(jù)浙江日?qǐng)?bào)6月29日?qǐng)?bào)道，溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)取得了關(guān)鍵性進(jìn)展。他們用激光在金屬表面切割出數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)微米級(jí)或納米級(jí)的“小山”，使其表面構(gòu)造類似荷葉，成功做出“超疏水表面”。該團(tuán)隊(duì)從2016年起開(kāi)展名為“面向海工裝備的超快激光加工超疏水結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究”，目前已形成一套成熟的工藝?yán)碚撗芯?，配套的激光設(shè)備開(kāi)發(fā)也已完成。研究成果已在上海、臺(tái)州等多家單位的科考船上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能減少船只舵葉和螺旋槳上的附著物堆積，實(shí)現(xiàn)金屬的自清潔。實(shí)驗(yàn)證明，原來(lái)3天就需要人工清潔的螺旋槳，如今能維持半年不用清理。
這些研究成果在超疏水表面的穩(wěn)定性、防除冰性能、耐磨損性等方面都有一定的創(chuàng)新和突破，為超疏水表面處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路和方法。但實(shí)際應(yīng)用中可能還需要考慮成本、大規(guī)模生產(chǎn)工藝等因素，以推動(dòng)該技術(shù)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
超疏水表面處理技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)是什么？
耐久性和穩(wěn)定性：在實(shí)際使用中，超疏水表面可能會(huì)受到物理磨損、化學(xué)侵蝕、溫度變化等因素的影響，導(dǎo)致其超疏水性能逐漸下降或喪失。如何提高其在復(fù)雜環(huán)境中的長(zhǎng)期耐久性和穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
大規(guī)模生產(chǎn)：雖然實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)能夠制備出超疏水表面，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量的工業(yè)化生產(chǎn)仍具有挑戰(zhàn)性。生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性、生產(chǎn)設(shè)備的要求以及原材料的成本等都限制了其廣泛應(yīng)用。
復(fù)雜表面的均勻處理：對(duì)于具有復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的物體表面，要實(shí)現(xiàn)均勻、完整的超疏水處理并非易事，可能會(huì)出現(xiàn)局部處理效果不佳的情況。
機(jī)械強(qiáng)度：一些超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)脆弱，在受到外力沖擊或摩擦?xí)r容易受損，從而影響其性能。
自修復(fù)能力：一旦超疏水表面受到損傷，如何實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)以恢復(fù)其性能是一個(gè)有待解決的難題。
與基底材料的結(jié)合力：超疏水涂層與基底材料之間的結(jié)合強(qiáng)度可能不足，導(dǎo)致涂層容易剝落或分離
環(huán)境適應(yīng)性：不同的應(yīng)用場(chǎng)景具有不同的環(huán)境條件，如高溫、高壓、高濕度等，超疏水表面可能在某些極端環(huán)境下無(wú)法保持良好的性能。
成本問(wèn)題：部分超疏水表面處理技術(shù)所使用的材料和工藝成本較高，限制了其在一些對(duì)成本敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。
性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：目前對(duì)于超疏水表面性能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)尚未完全統(tǒng)一，這給不同研究成果之間的比較和實(shí)際應(yīng)用中的質(zhì)量控制帶來(lái)了一定困難。
超疏水表面處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？
超疏水表面處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面：
高性能和耐久性：未來(lái)的發(fā)展將致力于提高超疏水表面的性能，如更強(qiáng)的疏水性（更高的接觸角和更低的滾動(dòng)角），同時(shí)增強(qiáng)其在各種惡劣環(huán)境和長(zhǎng)期使用條件下的耐久性，包括抗磨損、抗腐蝕、抗紫外線等
多功能集成：除了超疏水性能，還將與其他功能相結(jié)合，如自清潔、抗菌、防污、防結(jié)冰、抗指紋、油水分離等，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
綠色環(huán)保制備方法：研究人員將更注重開(kāi)發(fā)環(huán)保、低能耗、無(wú)毒害的制備工藝和材料，以減少對(duì)環(huán)境的影響。
大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)：為了滿足市場(chǎng)需求，需要發(fā)展高效、低成本的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)超疏水表面處理技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。
智能響應(yīng)性：研發(fā)能夠?qū)Νh(huán)境刺激（如溫度、濕度、光照、電場(chǎng)等）做出智能響應(yīng)的超疏水表面，實(shí)現(xiàn)性能的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展：例如用于醫(yī)療器械的表面處理，以減少細(xì)菌附著和生物污垢的形成，或者用于藥物輸送系統(tǒng)等。
與其他技術(shù)的協(xié)同發(fā)展：與納米技術(shù)、材料科學(xué)、表面工程等領(lǐng)域的技術(shù)相互融合，創(chuàng)造出更先進(jìn)的復(fù)合表面處理方法。
理論研究的深入：進(jìn)一步深化對(duì)超疏水表面的物理化學(xué)機(jī)制和性能關(guān)系的理論研究，為技術(shù)創(chuàng)新提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
跨領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)新：除了傳統(tǒng)的工業(yè)和建筑領(lǐng)域，還將在能源收集與存儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)、食品包裝等新領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551918.html
來(lái)源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
超疏水表面處理技術(shù)的原理與特性
超疏水表面通常是指與水的接觸角大于 150 度，滾動(dòng)角小于 10 度的表面。其實(shí)現(xiàn)超疏水性能的關(guān)鍵在于表面的微觀結(jié)構(gòu)和低表面能物質(zhì)。微觀結(jié)構(gòu)通常包括粗糙的紋理、納米級(jí)的凸起和凹陷等，這些結(jié)構(gòu)能夠有效地捕捉空氣，減少水與固體表面的接觸面積。而低表面能物質(zhì)如氟化物、硅氧烷等則能進(jìn)一步降低表面的自由能，增強(qiáng)疏水效果。
下面將介紹最近一年內(nèi)關(guān)于超疏水表面處理技術(shù)的最新成果。
1. 東南大學(xué)張友法團(tuán)隊(duì)的研究
東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張友法課題組于近期在超疏水涂層應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種單元胞顆粒，將其分散于不同樹(shù)脂中，可同時(shí)賦予涂層超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”為題發(fā)表于國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上。
該單元胞由硬質(zhì)多孔的硅藻土微殼和可釋放的納米種子構(gòu)成，具有獨(dú)特的物化性質(zhì)，可同時(shí)提高涂層的超疏水性和機(jī)械性能，使超疏水涂層的耐磨性和耐沖擊性分別提高30-100倍和120倍。更重要的是，單元胞涂層可防止鹽霧、鹽水、混凝土等不同相物質(zhì)黏附，以及促進(jìn)露滴、霜層脫附，顯著提高換熱器傳熱效率。
2. 清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究
清華大學(xué)材料學(xué)院激光材料研究中心鐘敏霖團(tuán)隊(duì)近期報(bào)道了一種雙能壘高穩(wěn)定性超疏水表面的激光制備方法。該方法通過(guò)雙重復(fù)合微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人為地引入第二 Cassie 狀態(tài)能壘，使其在熱力學(xué)上呈現(xiàn)出雙能壘的 Cassie 狀態(tài)，大大地提高 Cassie 狀態(tài)穩(wěn)定性與防除冰性能，有望用于實(shí)際應(yīng)用。
團(tuán)隊(duì)首先建立了三相界面熱力學(xué)能量計(jì)算模型，探究不同微納結(jié)構(gòu)的形貌與分布對(duì)潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變過(guò)程與熱力學(xué)能量演變的影響機(jī)制。他們采用超快激光分步脈沖注入與化學(xué)氧化復(fù)合的方法，制備出兩組不同類型的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)的納米效應(yīng)單能壘超疏水結(jié)構(gòu)，雙能壘結(jié)構(gòu)具有更高的 Cassie 穩(wěn)定性和更優(yōu)越的防除冰性能。在-15℃的低溫高濕環(huán)境下可以維持過(guò)冷液體不結(jié)冰至少 27000s，且冰粘附強(qiáng)度僅為 0.9 kPa，在連續(xù) 48 次連續(xù)除冰循環(huán)后仍能維持約 20 kPa。
3. 湖北工業(yè)大學(xué)劉頓教授團(tuán)隊(duì)的研究
湖北工業(yè)大學(xué)劉頓教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際材料科學(xué)領(lǐng)域知名期刊《Composites Science And Technology》上發(fā)表了超疏水表面領(lǐng)域最新成果。該研究創(chuàng)新地采用激光處理和化學(xué)改性相結(jié)合的方法，在柔軟的硅橡膠基底上制備了具有周期性陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)合超疏水表面。此表面具有優(yōu)異的耐磨損性能，并在外力摩擦、風(fēng)沙沖擊、酸堿腐蝕等各種惡劣條件下保持良好的超疏水性能。
4. 溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院的成果
據(jù)浙江日?qǐng)?bào)6月29日?qǐng)?bào)道，溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)取得了關(guān)鍵性進(jìn)展。他們用激光在金屬表面切割出數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)微米級(jí)或納米級(jí)的“小山”，使其表面構(gòu)造類似荷葉，成功做出“超疏水表面”。該團(tuán)隊(duì)從2016年起開(kāi)展名為“面向海工裝備的超快激光加工超疏水結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究”，目前已形成一套成熟的工藝?yán)碚撗芯?，配套的激光設(shè)備開(kāi)發(fā)也已完成。研究成果已在上海、臺(tái)州等多家單位的科考船上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能減少船只舵葉和螺旋槳上的附著物堆積，實(shí)現(xiàn)金屬的自清潔。實(shí)驗(yàn)證明，原來(lái)3天就需要人工清潔的螺旋槳，如今能維持半年不用清理。
這些研究成果在超疏水表面的穩(wěn)定性、防除冰性能、耐磨損性等方面都有一定的創(chuàng)新和突破，為超疏水表面處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路和方法。但實(shí)際應(yīng)用中可能還需要考慮成本、大規(guī)模生產(chǎn)工藝等因素，以推動(dòng)該技術(shù)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
超疏水表面處理技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)是什么？
耐久性和穩(wěn)定性：在實(shí)際使用中，超疏水表面可能會(huì)受到物理磨損、化學(xué)侵蝕、溫度變化等因素的影響，導(dǎo)致其超疏水性能逐漸下降或喪失。如何提高其在復(fù)雜環(huán)境中的長(zhǎng)期耐久性和穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
大規(guī)模生產(chǎn)：雖然實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)能夠制備出超疏水表面，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量的工業(yè)化生產(chǎn)仍具有挑戰(zhàn)性。生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性、生產(chǎn)設(shè)備的要求以及原材料的成本等都限制了其廣泛應(yīng)用。
復(fù)雜表面的均勻處理：對(duì)于具有復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的物體表面，要實(shí)現(xiàn)均勻、完整的超疏水處理并非易事，可能會(huì)出現(xiàn)局部處理效果不佳的情況。
機(jī)械強(qiáng)度：一些超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)脆弱，在受到外力沖擊或摩擦?xí)r容易受損，從而影響其性能。
自修復(fù)能力：一旦超疏水表面受到損傷，如何實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)以恢復(fù)其性能是一個(gè)有待解決的難題。
與基底材料的結(jié)合力：超疏水涂層與基底材料之間的結(jié)合強(qiáng)度可能不足，導(dǎo)致涂層容易剝落或分離
環(huán)境適應(yīng)性：不同的應(yīng)用場(chǎng)景具有不同的環(huán)境條件，如高溫、高壓、高濕度等，超疏水表面可能在某些極端環(huán)境下無(wú)法保持良好的性能。
成本問(wèn)題：部分超疏水表面處理技術(shù)所使用的材料和工藝成本較高，限制了其在一些對(duì)成本敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。
性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：目前對(duì)于超疏水表面性能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)尚未完全統(tǒng)一，這給不同研究成果之間的比較和實(shí)際應(yīng)用中的質(zhì)量控制帶來(lái)了一定困難。
超疏水表面處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？
超疏水表面處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面：
高性能和耐久性：未來(lái)的發(fā)展將致力于提高超疏水表面的性能，如更強(qiáng)的疏水性（更高的接觸角和更低的滾動(dòng)角），同時(shí)增強(qiáng)其在各種惡劣環(huán)境和長(zhǎng)期使用條件下的耐久性，包括抗磨損、抗腐蝕、抗紫外線等
多功能集成：除了超疏水性能，還將與其他功能相結(jié)合，如自清潔、抗菌、防污、防結(jié)冰、抗指紋、油水分離等，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
綠色環(huán)保制備方法：研究人員將更注重開(kāi)發(fā)環(huán)保、低能耗、無(wú)毒害的制備工藝和材料，以減少對(duì)環(huán)境的影響。
大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)：為了滿足市場(chǎng)需求，需要發(fā)展高效、低成本的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)超疏水表面處理技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。
智能響應(yīng)性：研發(fā)能夠?qū)Νh(huán)境刺激（如溫度、濕度、光照、電場(chǎng)等）做出智能響應(yīng)的超疏水表面，實(shí)現(xiàn)性能的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展：例如用于醫(yī)療器械的表面處理，以減少細(xì)菌附著和生物污垢的形成，或者用于藥物輸送系統(tǒng)等。
與其他技術(shù)的協(xié)同發(fā)展：與納米技術(shù)、材料科學(xué)、表面工程等領(lǐng)域的技術(shù)相互融合，創(chuàng)造出更先進(jìn)的復(fù)合表面處理方法。
理論研究的深入：進(jìn)一步深化對(duì)超疏水表面的物理化學(xué)機(jī)制和性能關(guān)系的理論研究，為技術(shù)創(chuàng)新提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
跨領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)新：除了傳統(tǒng)的工業(yè)和建筑領(lǐng)域，還將在能源收集與存儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)、食品包裝等新領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551918.html
來(lái)源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
