【透明超疏水表面制备方法综述2400字】

透明超疏水表面制备方法综述目录TOC\o"1-3"\h\u3614透明超疏水表面制备方法综述 1145771.1模板法 1178141.2刻蚀法 1300771.3化学气相沉积法 2114421.4有机-无机杂化法 364051.5溶胶-凝胶法 4107891.6其他方法 51.1模板法在早期超疏水表面的制备中，经常用到的方法就是模板法，模板法是以一个具有所需特征结构的表面为模板，将能够塑性的前驱体涂覆或者浇筑在模板表面，成型后再通过脱模处理将模板剥离下来，即可得到与模板结构相反的表面。该方法制备工艺简单，生产效率高，实验可控性强，但受模板限制，难以实现大面积涂层的制备，且制备物质仅限于聚合物。Nguyen等[34]通过光蚀刻技术制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）模板，然后用聚氨酯丙烯酸酯（PUA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）在其上覆膜制备所需的微米级图案，并用低表面能硅氧烷进行表面改性，实验成功制备了疏水性PUA膜，接触角约为146°，可见光范围透过率约80％。如图1-4，Liu等[35]将蜡烛烟灰作为模板，在其表面涂布PDMS薄膜，经煅烧去模后，在玻璃表面形成具有粗糙纤维网状结构的超疏水玻璃纤维棉。图1-4超疏水玻璃纤维棉制备过程图Fig.1-4Preparationprocessofsuperhydrophobicglassfibercotton1.2刻蚀法近年来，刻蚀法被广泛应用于玻璃基超疏水表面的构建，它通过改变基材的表面结构形成规则或不规则的微纳米级粗糙度，进而改变材料表面的亲/疏水状态。刻蚀法可分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种，通常情况下，湿法刻蚀构造的表面结构复杂，需要利用特定的腐蚀溶液如强酸、强碱等，对材料进行浸泡腐蚀，实际操作过程中存在一定的安全隐患，且刻蚀后的废液不好回收。干法刻蚀分为物理性刻蚀、化学性刻蚀及等离子体刻蚀等，其中最常用到的是等离子体刻蚀法。等离子蚀刻法通过在气体中放电产生反应性离子，反应性离子在等离子体和基体界面间定向加速运动，利用不同官能团的刻蚀速率不同，在材料表面刻蚀不同程度的深沟槽，形成微纳米级粗糙结构。干法刻蚀精准度高，可控性强，但设备成本昂贵。两种刻蚀方法所制备的超疏水表面，都存在脆性大，易碎裂，机械耐久性差的问题，这限制了刻蚀法的进一步应用。如图1-5，Cho等[36]选用SF6为等离子体源，通过等离子体刻蚀法得到了微米级棒状结构的硅表面，然后再用C4F8在表面沉积一层碳氟膜，结果表明，所得表面接触角达到了165°。Ellinas等[37]将聚苯乙烯(PS)小球覆盖在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面上，经等离子体刻蚀后，得到以PS为顶的PMMA圆柱阵列，其水接触角达到168°。图1-5感应耦合\o"从ScienceDirect的AI生成的主题页面中了解有关等离子系统的更多信息"等离子体系统的示意图Fig.1-5Aschematicofaninductivelycoupled

\o"LearnmoreaboutPlasmaSystemfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"plasmasystemusedforthefabricationofmicroscalerodstructuresandthedepositionoffluorocarbonfilmsontheSisurfaces1.3化学气相沉积法气相沉积法分为物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD），其中化学气相沉积法常被用来制备超疏水表面。化学气相沉积法是将一种或多种原料导入反应室，气化后与基底表面发生化学反应，最终沉积成膜的过程。化学气相沉积法反应时间短，涂层成分易控制，成膜均匀，适用于不同的基材，但操作复杂，设备成本高，仅限于小面积使用。Tombesi等[38]通过气溶胶辅助化学气相沉积法（AACVD）在玻璃基板上制备具有分级微/纳米结构MPS-TEOS-POTS的透明超疏水涂层。首先在不同温度下沉积3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）的第一层和原硅酸四乙酯（TEOS）的第二层，生成二氧化硅的纳米微粒，最后将全氟辛基三乙氧基硅烷沉积在两层的顶部，实现超疏水性。所得涂层透明度高达90％，水接触角为165°，滑动角小于1°。如图1-6，Siri等[39]将静电LbL技术的自端接特性与喷雾沉积的速度和可扩展性相结合，以更快的速度沉积了纳米级的气相二氧化硅颗粒，如图1-7是气相二氧化硅纳米层的俯视图和侧视图。最后使用热蒸汽沉积混合的POTS:DTDS前体进行快速疏水化处理，整个过程可以在几分钟内完成，水接触角高达173±2°，滚降角小至2±1°，透过率在90％左右。图1-6喷雾沉积法制备透明超疏水薄膜示意图Fig.1-6Diagramoftransparentsuperhydrophobicfilmspreparedbyspraydeposition图1-7气相二氧化硅纳米层的俯视图(a)和侧视图(b)Fig.1-7SEMmicrographsdepictingtop(a)andside(b)viewsoffumedsilicananolayer1.4有机-无机杂化法有机无机杂化法是将有机物与无机物结合，提高无机物的部分性能，成本较低，适合大面积生产，但有时改性效果并不理想。如图1-8，Hooda等[40]将纳米二氧化硅（TOS-SiO2）嵌入聚苯乙烯，并用三乙氧基辛基硅烷对其改性，获得透明超疏水涂层，水接触角为162°，光透过率高达91.8％。Zhang等[41]将疏水性纳米SiO2颗粒和无氟有机硅树脂杂化，制备了一种环保、高透明度和耐久性佳的超疏水涂料，且无需经后期氟处理，水接触角高于160°，光透过率达到91.03％。图1-8超疏水纳米SiO2\o"从ScienceDirect的AI生成的主题页面中了解有关纳米颗粒的更多信息"颗粒合成机理Fig.1-8ThemechanismofsynthesisofsuperhydrophobicSiO2\o"LearnmoreaboutNanoparticlesfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"nanoparticles1.5溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是将化学活性高的金属醇盐或烷氧基金属作为前驱体，酸或碱为催化剂，醇为溶剂，通过水解反应及缩合反应形成溶胶体系，然后将生成的凝胶干燥以形成微/纳米孔状结构。溶胶-凝胶法可通过控制反应条件有效控制胶粒的粒径大小，从而得到不同微纳米粗糙结构的膜层，所得溶胶纯度较高，具有良好的稳定性，且工艺简单、反应条件温和、设备便宜、可以在面积大或任意形状的表面上成膜，但是通常情况下，制备工艺路线较长。如图1-9，Zhao等[42]通过溶胶-凝胶法，以TEOS为前驱体，氨水为催化剂，分别制备了粒径为200nm的超亲水SiO2粒子（S200）和粒径为55nm的超疏水SiO2粒子(HS55)，然后加入环氧树脂增强涂层的坚固性，再将混合溶胶涂覆于基板上，所得涂层光透过率在90％左右，水接触角为162°±3°。Adak等[43]通过溶胶-凝胶法，分别制备碱催化的六甲基二硅氮烷（HMDS）改性的硅溶胶和酸催化的硅溶胶，然后将二者的混合溶胶涂布玻璃基板，光透过率达到95.5％，水接触角达150°以上。酸催化的二氧化硅起着孔隙填充剂的作用，并且富含羟基，可以显著提高涂层的附着力和机械硬度。Shefiua等[44]通过溶胶-凝胶法，在碱性NaOH溶液催化下，水解正硅酸乙酯制备胶体二氧化硅纳米颗粒，然后用六甲基二硅氮烷改性，制备透明硅溶胶，所得涂层具有优异的抗反射（AR）性，光透过率达到93.1％，水接触角为169.7°。Ke[45]等利用简单的溶胶-凝胶法在玻璃基板上制造SiO2涂层，用氟硅烷装饰涂料后，涂层最大水接触角为154°，涂层透光率仅比裸露基材低<1％，同时该涂层还表现出超高的耐久性。图1-9单一尺寸(a，b)S70；(d，e)S200；(g，h)HS55颗粒膜；(c)S70水滴图像；(f)HS55；(i)S200颗粒膜Fig.1-9SEMimagesofsingle-sized(a,b)S70;(d,e)S200;(g,h)HS55particlefilmsandwaterdropletimagesof(c)S70;(f)