第1章　绪论

1.1　引言

液体对固体表面的润湿性（Wettability，也称浸润性）是固体表面的一种重要性质，它是指固体界面由固-气界面转变为固-液界面的能力。从热力学的角度来讲，当液体与固体发生接触后，固-液-气三相体系表面自由能由高能态向低能态转变，固体表面的气体被液体取代的现象叫润湿。从微观上来讲，浸润固体的液体，在取代原固体表面上的气体后，本身与固体表面是在分子水平上的接触。润湿性不论在自然生物界还是人类的日常生活与工农业生产中都发挥着极为重要的作用[1～3]。如植物的根系吸收水分、农作物通过叶片对溶液药剂的吸收与利用；窗户玻璃、眼镜片上在冷热交替环境下形成的水雾；汽车表面打蜡与涂漆起到防水防锈等，这些都与润湿性相关。此外，润湿性应用极为广泛，如工业粉末的泡沫浮选、原油开采、工业材料的防水与洗涤、机械使用的润滑油、油漆的流干性能、工业生产中的催化作用、制造相片用的感光涂布和生物医药等都与润湿密切相关[4～6]。因此，从科学研究的角度来讲，对润湿问题的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有实际应用价值。

固体表面的润湿性通常用接触角（Contact Angle，CA）来表示，当液滴接触固体表面时，液滴会在固体表面以不同形状的球形、半球形或铺展液膜的形式出现。从固-液-气三相作用点处画液-气界面的切线，该切线与固-液界面在三相点处的切线之间的夹角即为接触角（如图1.1所示），它是衡量润湿性的一个重要指标。

图1.1　接触角示意图

通常来讲，与液体的接触角大于90°的表面为疏态表面，小于90°的表面则为亲态表面；当水滴或者油滴在固体表面上所形成的接触角小于10°时，这样的固体表面分别被称作为超亲水（superhydrophilic）或超亲油（superoleophilic）表面；而当水滴或者油滴在固体表面上所形成的接触角大于150°时，这样的固体表面分别被称为超疏水（superhydrophobic）或者超疏油（superoleophobic）表面。固体表面在某些极端状况下表现出来的特殊润湿性不一定是孤立存在的，通过控制外部作用环境或者改变固体材料表面的某些结构，在一定条件下可以使两两之间发生共存或转化，其各自之间的转化关系如图1.2所示[7]。

图1.2　超疏水/油、超亲水/油四种特殊润湿状态相互转化示意图

超疏水性（superhydrophobility）作为固体表面润湿性的一种特殊状态，其自身所具有的防污自清洁[8]、防水防潮[9]、流体减阻[10～12]、表面防护[13]等诸多优异性能使其可广泛应用在建筑材料、生物医药、流体运输、交通运输等诸多领域。

将具有自清洁特性的超疏水材料应用在建筑物外墙玻璃、户外天线或雷达、太阳能电池板、输变电线路高架塔及电缆等领域可以有效地减轻或避免雨雪的黏附，并通过雨水的冲刷带走表面黏附的灰尘，达到自洁净的效果。自清洁材料在高层建筑外表面的清洁保养方面作用巨大[14，15]，已有部分公司推出了自清洁玻璃产品，如美国PPG公司推出的Sun CleanTM产品[14]，如图1.3所示为该产品与普通产品在雨水冲刷下的对比效果；在寒冷地区户外的卫星天线、雷达和输变电线缆上形成的雪霜冰层容易诱发设备故障或绝缘层击穿，应用超疏水表面可有效减轻这一危害的发生，提高设备的可靠性，减轻或避免类似2008年我国南方地区特大冰雪灾害对输变电网络及相关领域的巨大影响。

图1.3　PPG自清洁玻璃与普通玻璃对比

船舶在水面航行时需要消耗很多能源来克服行进过程中的摩擦阻力，水下航行体如潜艇、鱼雷等甚至高达80%；而对于输送管道，如原油运输、输水管道等，其能量的耗损几乎全部用来克服流体和管道壁面之间的摩擦阻力；超疏水表面应用于船体或舰艇外壳的建造，不仅可以降低因海生物附着、生长与积聚造成其自身运行效率降低的影响，而且超疏水表面的减阻特性使其可有效减少流体阻力，通常可以达到10%～30%[10～12，16]，有效提高航速和经济性；将超疏水表面应用于输运管道建设，可减少运输耗损和管道阻塞，提高运输效率和设备完好率。

在微/纳电子机械系统（MEMS/NEMS）领域，随着机构器件微型化，与机构表面尺寸相关的表面效应急剧增加，表面黏附、摩擦磨损等问题变得突出，如微流通道中的流体阻力成为微流体器件发展的重要制约因素；微机构中界面间存在的摩擦与黏附极大地降低了系统工作的可靠性。对超疏水表面的研究表明，应用超疏水表面不仅可有效改善和控制材料的润滑与摩擦[17，18]，使其应用于液滴分离、液滴无损转移、液滴运输等微流体领域，而且超疏水表面的生物相容性[19]使其可应用于生物医学领域中微量药物传输、生物检测等方面。同时，改善应用超疏水改性处理的MEMS/NEMS的微摩擦学性能，可提高系统可靠性。

综上所述，超疏水表面以其广阔的应用前景引起了科学研究学者的极大关注。