Page 44 - 《精细化工》2021年第11期

·2190· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

使用环境的复杂多变，单一疏液表面的适用范围受 和疏液基团的保护来实现其机械稳定性，这种方式
限。如单一疏水表面容易被表面张力较低的油性液 具有原理简单可靠、实现手段丰富、应用范围广阔
体（如植物油、正十六烷、二碘甲烷等）污染，从 等特点。同时，其有趣的微观结构和明确的应用前
而影响到表面的疏水能力 [8-9] 。因此，同时具有疏水 景也吸引了更多的关注，是本文探究的重点。
和疏油功能的双疏表面开始引起人们的广泛关注。
双疏表面比单纯疏水或疏油表面有着更广泛的
应用范围，在自清洁 [10-11] 、防污 [12-13] 、防腐蚀 [14-15] 、
原油运输 [16-18] 等方面体现出应用价值，如图 1 所示。
固体表面的润湿性是由表面微观结构和疏液基团共
同决定的 [19] 。双疏表面比单纯疏水或疏油表面对表
面结构要求更高，在疏液基团一定的情况下，表面
粗糙度的增加可以减小液体-固体接触面积、提高疏
液性能。目前，由较高粗糙度表面+低表面能基团的
图 1 双疏表面在各行业的应用
模式已成为疏水疏油表面的常见构建方式。然而，
Fig. 1 Application of amphiphobic surface in various industries
双疏表面粗糙度的增加也使得其具有比较蓬松的结
构，机械强度较差，导致纳米或微-纳米表面结构容
1 基材微结构对双疏表面的影响
易发生机械损坏和磨损，最终造成性能部分或完全
损失而无法修复。这一弱点大大降低了双疏表面的 1.1 增加表面粗糙度及提高液体接触角
机械稳定性和使用寿命，也限制了其应用范围的拓 随着对疏液表面研究的不断深入，特殊表面的
展 [20-23] 。机械稳定性已成为双疏表面由实验室走向 理论模型也在逐渐趋于完善。理想状态下，液滴在
应用的主要障碍之一。 平面上的接触角可以用 Young's 模型来解释，如图
近年来，人们开始认识到，构成双疏表面基本 2a 所示。然而，实际情况下表面不会完全光滑，通
要素的粗糙表面和机械强度是相矛盾的。在此背景 常会有一定的粗糙度。表面粗糙度对液滴表观接触
下，将双疏功能和机械强度及耐久性分别考虑，再 角的影响可分别用 Wenzel 模型和 Cassie-Baxter 模型
进行整合的思路逐渐成为该领域研究的主攻方向。 解释，如图 2b、c 所示 [24] 。在 Young's 模型的基础
特殊形貌基材构筑的机械稳定双疏表面主要通过基 上结合这两种模型解释基材微结构对双疏表面的
材表面尺寸较大的凹凸构造对尺寸较小的粗糙结构 影响。

a—Young's 态；b—Wenzel 态；c—Cassie 态

图 2 3 种模型示意图
Fig. 2 Schematic diagram of three models

在 Wenzel 模型 [25] 中，认为固液之间完全接触，则： 气、固气以及固液之间的界面张力，N/m。
( r    ) 当引入基材微结构时，A h 增大, r 也随之增加，
cos W  SV SL  r cos （1）
 LV θ 只与固液气三相界面张力有关，因此，θ W 增加。
A 在 Cassie-Baxter [24] 模型中，引入固体与液体之
1
r  h （2）
A f 间存在空气这一概念，则：
式中：θ W 为该模型下的表观接触角，°；θ 为理想状 cosθ C = −1 + ϕ s (1 + cosθ) （3）
态下接触角，°；r 为表面粗糙系数；A h 为实际粗糙 式中：θ C 为该模型下的表观接触角，°；ϕ s 为固体与
2
面积、A f 为投影面积，m ；γ LV、γ SV、γ SL 分别为液 液体接触面积比。