1。2。3 超疏水表面的影响因素

根据超疏水表面的 SEM 观察和性能测试，超疏水表面的性能主要受表面化学组成和表面 微观形貌结构的影响，外部环境的改变对其性能也会有一定的影响。

理论研究表明，如果固体材料的表面自由能越低，就越有利于表面呈现疏水性。因此， 想要获得超疏水表面，材料的表面能必须尽可能低。而决定自由能大小的主要因素是固体材 料的化学组成。液滴在其固体表面的静态接触角大小主要受到表面自由能的影响，当表面自 由能较小时，固液界面之间的范德华力就相应的减小，此时接触角θC 增大，表面疏水性增强。 因此，不论对于表面完全光滑的固体材料还是表面粗糙的固体材料，其表面润湿性都会显著 地受到化学组成的影响。

固体材料的表面依据其表面张力大小的差异，可以分成如下两类：如果固体材料的表面 张力超过了 100 mN/m，那么这种表面就称之为高能表面。高能表面的表面张力一般可以达到 500~5000 mN/m 之间[41]，这些高能表面的表面原子主要通过共价键和离子键等键合，并且一 般都具有良好的吸附性；另一类是表面张力小于 100 mN/m 的低能表面[42]，主要由分子间作 用力或氢键结合而成，不易吸附杂质从而润湿性较差。对于一些本身就具有优异疏水性的固 体材料表面，往往可以不经表面化学修饰即可获得表面超疏水性。而对于大部分本身疏水性

本科毕业设计说明书 第 7 页 不是特别显著的固体表面来说，如果要使其同样具有超疏水性，就必须对表面进行化学修饰。 理论研究表明，具有低表面能的化学物质适合用来对固体材料的表面进行化学修饰。这是因

为低的表面能有利于增大液滴在固体表面的平衡接触角，从而使得固体表面的疏水性得到有 效提高[13,43]。目前，常用于固体表面化学修饰的物质包括：氟硅烷类[44,45]、脂肪酸类[46,47]以及 一些芳香族化合物[48]，其中氟硅烷类是主要的一类用于表面化学修饰的物质。文献综述

氟硅烷类是带有-CF3 疏水基团的一类有机物，它作为表面改性剂的原理是与所作用的表 面发生化学反应形成新键，-CF3 基团一侧朝外，在表面形成一层单分子层，从而使得材料的 表面自由能降低，如图 1。5 所示。这层单分子层与作用表面的结合强度由它们所形成的键型 决定。

图 1。5 氟硅烷类修饰的表面机理式

除了固体材料的表面化学组成会对表面润湿性产生影响之外，不同的固体表面微观形貌 同样会改变表面润湿性。研究表明，如果单纯地依靠调节固体材料的表面化学组成这一种方 式来改变表面润湿性，是很难获得超疏水表面的。即使采用被认为是具有最低表面自由能的

-CF3 基团来对表面进行化学修饰，目前所报道的接触角最高也只有 120°，远未达到超疏水的 要求。因此必须结合其它方法来进一步提高固体表面的疏水性，其中，通过构建表面微观结 构来增加固体材料的表面粗糙度是提高表面疏水性的另一有效方法。而如果想进一步提高疏 水固体材料的表面疏水性，必须有针对性的改变固体材料的表面微观形貌及结构。科学家通 过对荷叶、蝉翼等自然界中具有超疏水性的表面研究后，发现这些表面大多具有微-纳分级复 合结构（如图 1。4）：第一级结构属于微米量级，而第二级结构是纳米量级。而这些天然存在 的固体表面之所以具有超疏水性，正是由于这种复合结构所致。因此，可以证明微-纳分级复 合结构是获得表面超疏水性的重要手段，它可以有效降低固-液接触面积，增大液滴在固体表