第1章　緒論

1.1　引言

液體對固體表面的潤濕性（Wettability，也稱浸潤性）是固體表面的一種重要性質，它是指固體界面由固-氣界面轉變為固-液界面的能力。從熱力學的角度來講，當液體與固體發生接觸后，固-液-氣三相體系表面自由能由高能態向低能態轉變，固體表面的氣體被液體取代的現象叫潤濕。從微觀上來講，浸潤固體的液體，在取代原固體表面上的氣體后，本身與固體表面是在分子水平上的接觸。潤濕性不論在自然生物界還是人類的日常生活與工農業生產中都發揮著極為重要的作用[1～3]。如植物的根系吸收水分、農作物通過葉片對溶液藥劑的吸收與利用；窗戶玻璃、眼鏡片上在冷熱交替環境下形成的水霧；汽車表面打蠟與涂漆起到防水防銹等，這些都與潤濕性相關。此外，潤濕性應用極為廣泛，如工業粉末的泡沫浮選、原油開采、工業材料的防水與洗滌、機械使用的潤滑油、油漆的流干性能、工業生產中的催化作用、制造相片用的感光涂布和生物醫藥等都與潤濕密切相關[4～6]。因此，從科學研究的角度來講，對潤濕問題的研究不僅具有重要的理論意義，而且具有實際應用價值。

固體表面的潤濕性通常用接觸角（Contact Angle，CA）來表示，當液滴接觸固體表面時，液滴會在固體表面以不同形狀的球形、半球形或鋪展液膜的形式出現。從固-液-氣三相作用點處畫液-氣界面的切線，該切線與固-液界面在三相點處的切線之間的夾角即為接觸角（如圖1.1所示），它是衡量潤濕性的一個重要指標。

通常來講，與液體的接觸角大于90°的表面為疏態表面，小于90°的表面則為親態表面；當水滴或者油滴在固體表面上所形成的接觸角小于10°時，這樣的固體表面分別被稱作為超親水（superhydrophilic）或超親油（superoleophilic）表面；而當水滴或者油滴在固體表面上所形成的接觸角大于150°時，這樣的固體表面分別被稱為超疏水（superhydrophobic）或者超疏油（superoleophobic）表面。固體表面在某些極端狀況下表現出來的特殊潤濕性不一定是孤立存在的，通過控制外部作用環境或者改變固體材料表面的某些結構，在一定條件下可以使兩兩之間發生共存或轉化，其各自之間的轉化關系如圖1.2所示[7]。

超疏水性（superhydrophobility）作為固體表面潤濕性的一種特殊狀態，其自身所具有的防污自清潔[8]、防水防潮[9]、流體減阻[10～12]、表面防護[13]等諸多優異性能使其可廣泛應用在建筑材料、生物醫藥、流體運輸、交通運輸等諸多領域。

將具有自清潔特性的超疏水材料應用在建筑物外墻玻璃、戶外天線或雷達、太陽能電池板、輸變電線路高架塔及電纜等領域可以有效地減輕或避免雨雪的黏附，并通過雨水的沖刷帶走表面黏附的灰塵，達到自潔凈的效果。自清潔材料在高層建筑外表面的清潔保養方面作用巨大[14，15]，已有部分公司推出了自清潔玻璃產品，如美國PPG公司推出的Sun CleanTM產品[14]，如圖1.3所示為該產品與普通產品在雨水沖刷下的對比效果；在寒冷地區戶外的衛星天線、雷達和輸變電線纜上形成的雪霜冰層容易誘發設備故障或絕緣層擊穿，應用超疏水表面可有效減輕這一危害的發生，提高設備的可靠性，減輕或避免類似2008年我國南方地區特大冰雪災害對輸變電網絡及相關領域的巨大影響。

船舶在水面航行時需要消耗很多能源來克服行進過程中的摩擦阻力，水下航行體如潛艇、魚雷等甚至高達80%；而對于輸送管道，如原油運輸、輸水管道等，其能量的耗損幾乎全部用來克服流體和管道壁面之間的摩擦阻力；超疏水表面應用于船體或艦艇外殼的建造，不僅可以降低因海生物附著、生長與積聚造成其自身運行效率降低的影響，而且超疏水表面的減阻特性使其可有效減少流體阻力，通常可以達到10%～30%[10～12，16]，有效提高航速和經濟性；將超疏水表面應用于輸運管道建設，可減少運輸耗損和管道阻塞，提高運輸效率和設備完好率。

在微/納電子機械系統（MEMS/NEMS）領域，隨著機構器件微型化，與機構表面尺寸相關的表面效應急劇增加，表面黏附、摩擦磨損等問題變得突出，如微流通道中的流體阻力成為微流體器件發展的重要制約因素；微機構中界面間存在的摩擦與黏附極大地降低了系統工作的可靠性。對超疏水表面的研究表明，應用超疏水表面不僅可有效改善和控制材料的潤滑與摩擦[17，18]，使其應用于液滴分離、液滴無損轉移、液滴運輸等微流體領域，而且超疏水表面的生物相容性[19]使其可應用于生物醫學領域中微量藥物傳輸、生物檢測等方面。同時，改善應用超疏水改性處理的MEMS/NEMS的微摩擦學性能，可提高系統可靠性。

綜上所述，超疏水表面以其廣闊的應用前景引起了科學研究學者的極大關注。