超疏水涂层 (superhydrophobic coatings)，即水接触角 (WCA) 大于150°并且滑动角 (SA) 或接触角滞后 (CAH) 小于10°的固体表面涂层，凭借其独特的表面浸润特性而备受瞩目。随着材料科学与表面技术在各领域的战略价值日益凸显，超疏水涂层的研发关注与生产应用也越发广泛，大到能源设施、建筑、飞机、车辆，小到光学设备、服装饰品、精密仪器、口罩防护服，都离不开其身影。

一、超疏水涂层的优势性能

1. 防污与自清洁

超疏水涂层因其独特的自清洁性能而备受关注，其作用机理主要体现在以下几个方面。一是在低表面能的粗糙表面上，污染物（如灰尘颗粒）与超疏水表面的实际接触面积很减小，导致两者间的附着力大幅降低；二是当水滴在表面滚动时，能够有效捕获并包裹这些污染物颗粒，并在滚落过程中将其带离表面，从而实现自清洁效果；三是环境中的重力、风力等外力作用也可协同促进污染物的去除。这种优异的防污与自清洁特性使其在多个领域得到广泛应用，特别是在易受污染影响的关键场合，如光伏发电面板、电子设备屏幕以及建筑外墙等方面展现出优势。

2. 防冰与除冰

覆冰会对飞机、风力叶片、输电线路等的运行造成很大的影响。若对表面进行超疏水涂层处理，落在表面的冰晶会因自身重力或气流影响而迅速滑落，使得冰晶无法在表面成形、累积，从而避免事故发生。此外，不少研究人员将超疏水涂层与光热材料或相变材料相结合，还可赋予涂层主动除冰的能力。

3. 油水分离

水分离作为一项重要的环境治理技术，其传统分离机制主要依赖于重力驱动，利用水相和油相在表面润湿性上的本质差异实现分离。大多数超疏水表面是疏水和亲脂的，允许油性液体通过并阻止水相通过，从而实现高效的油水分离。随着工业含油废水排放量的增加和海上溢油事故的频发，开发高效的油水分离技术已成为当前环境工程领域亟待解决的关键问题。而许多传统的油水分离方法，如浮选、离心和过滤等，普遍存在工艺流程复杂、能耗高、分离效率有限等局限性。因此，开发诸如超疏水涂层的可控润湿性新材料，对油水分离领域有着重要意义。

4. 防雾

研究人员通过在表面构建微纳分级结构，能使水滴形成高接触角和低滚动角，从而促使表面凝结的水滴迅速滚落。这一特性可有效防止水滴在表面的附着和聚集，避免因雾滴对光的散射和反射而导致的视线模糊现象。在实际应用中，超疏水涂层的防雾特性已被广泛应用于多个重要领域，例如在汽车挡风玻璃、眼镜片、太阳能电池板等光学器件表面，超疏水涂层可以有效防止雾气的形成，保持良好的透光性和视觉清晰度。此外，结合超疏水涂层的自清洁性能，可通过滚落的水滴带走表面灰尘，进一步提升防雾效果。

5. 防腐

耐腐蚀超疏水涂层通过低表面能化学组分与微纳复合结构的协同作用，构建了多重防护体系。其一，低表面能特性赋予涂层超疏水性能，显著降低腐蚀介质（如水、电解质）的浸润与附着；其二，微米-纳米级分级粗糙结构通过“荷叶效应”增强疏水性，并利用滚动水滴的自清洁功能持续清除表面污染物；其三，涂层致密的物理屏障可有效阻隔腐蚀因子渗透、这种“疏水阻隔-自清洁-物理屏蔽”的协同机制，使其在海洋重腐蚀环境、工业强腐蚀场景及基础设施领域中展现出长效防护能力。

 

二、超疏水涂层的耐用性提升

尽管超疏水涂层在多种场景中表现出了优异的性能，但由于其对表面精细微纳结构的高度依赖，使得其在实际应用中的耐磨性、持久性、耐老化性等表现较差，制约了超疏水涂层的大规模应用。为提高其耐用性，目前已有多种改进思路。

1. 赋予自修复能力

具有自修复能力的超疏水涂层可在机械磨损下能够自发或在一定外力作用下恢复超疏水能力。这种自修复能力可通过材料内部的化学或物理机制实现，主要分为外援型自修复和本征型自修复两种类型。

外援型自修复涂层主要是在涂层中添加包裹修复剂的微胶囊、形状记忆材料等物质，使超疏水涂层在受到机械磨损时，通过一些动力（如温度、pH、光等）引发微胶囊释放修复剂或形状记忆聚合物，来恢复涂层的结构，维持超疏水性能。

本征型自修复无需额外添加修复剂或催化剂，破损的表面通过外部刺激（如光、热、pH等），依靠自身体系中的动态可逆共价键或物理相互作用，来实现损伤的自修复功能，从而维持涂层的基本性能。共价键类的自修复主要有二硫键、Diels-Alder反应、亚胺键等，而非共价键类的自修复主要有氢键、金属配位键等。

2. 构造多层级微纳米结构

微纳米结构是实现表面超疏水的必要条件，然而单一层级的微纳结构较为脆弱，经历机械磨损后很快失效，导致涂层耐用性较差；多层级微纳米结构不仅增加了超疏水表面增加了微纳米结构的厚度，还增加了粗糙度，提升了超疏水性能。表面的微纳米结构变得更加复杂，可在一定程度上延长超疏水涂层的使用寿命，通常是在已有一定微纳结构的表面上再喷涂微纳米颗粒，使得结构层次更加丰富，磨损前后的涂层具有相似的粗糙度，不仅维持了涂层超疏水性，还提升了超疏水表面的耐用性。

3. 引入保护结构

超疏水涂层的微纳米结构可以通过构造保护结构提高耐用性。通过特定材料或结构设计，为微纳米结构提供一种保护外壳或骨架，这种结构可以分散涂层中纳米颗粒所受到的应力，减弱外部的机械磨损，显著提升微纳米结构的稳定性和耐久性，同时保持涂层的超疏水特性。

4. 增大交联密度

在一定程度上增大交联密度可使涂层表面的分子链之间连接更加紧密，并且微纳米结构也被包覆得更加严实，提高了涂层的机械强度与耐磨性，延长了超疏水涂层的使用寿命。特别地，具有共价键自修复能力的涂层也会通过动态共价键增加交联点，从而增大交联密度，结合自修复能力，进一步提高了超疏水涂层的耐用性。

5. 添加层状或刚性材料

层状结构材料（如石墨烯、六方氮化硼）层间作用力较弱，具有一定的润滑作用，可在机械磨损时层层之间发生平移，分散摩擦时的应力，从而在一定程度上降低机械磨损对超疏水涂层的破坏。刚性材料（如碳纳米管）具有较好的机械稳定性，掺入涂层后使涂层具有类似钢筋混凝土的结构，增强了超疏水涂层的机械稳定性，两种材料均可提高超疏水涂层的耐用性，并且一些改性过后的材料还可提高其他方面的性能。

参考文献

超疏水涂层应用研究进展[J]. 化学试剂, 2025, 47(05): 9-20.

 

 

来源：Internet

关键词： 超疏水涂层