ISOTS 106892023 纳米技术-超疏水表面和涂层特性和性能评估标准立项发展报告

纳米技术——超疏水表面和涂层：特性和性能评估标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Nanotechnologies—SuperhydrophobicSurfacesandCoatings:CharacteristicsandPerformanceAssessment摘要超疏水表面和涂层因其独特的润湿性能（静态水接触角通常大于150°，滚动角小于10°），在自清洁、防腐蚀、防冰防冻、流体减阻、油水分离、生物医学及微流控等领域展现出广阔的应用前景。近年来，随着纳米制备技术的快速发展，各类超疏水材料不断涌现，但由于缺乏统一的特性表征和性能评估标准，不同实验室和生产企业间的测试结果可比性差，严重制约了该领域的技术交流、质量控制和产业化进程。为此，国际标准化组织（ISO）于2023年8月8日正式发布了ISO/TS10689:2023《纳米技术——超疏水表面和涂层：特性和性能评估》技术规范。该文件系统规定了超疏水表面和涂层的关键特性参数（包括润湿性、耐久性、机械稳定性、化学稳定性等）的测试方法、评估指标和报告要求，填补了该领域国际标准的空白。本报告全面梳理了该标准的立项背景、研制历程、技术框架和核心指标，深入分析了其主要技术创新点和与现有标准体系的关系，并对标准的推广应用前景和后续修订方向进行了展望。关键词：纳米技术；超疏水表面；超疏水涂层；接触角；性能评估；国际标准；ISO/TS10689Keywords:Nanotechnologies;SuperhydrophobicSurfaces;SuperhydrophobicCoatings;ContactAngle;PerformanceAssessment;InternationalStandards;ISO/TS10689一、引言1.1超疏水表面与涂层的技术背景超疏水现象源于自然界，典型的例子包括荷叶的"出淤泥而不染"效应、水黾在水面行走的能力以及蝴蝶翅膀的定向疏水特性。受自然界启发，科研人员通过仿生学原理，将表面微纳米结构设计与低表面能化学修饰相结合，成功制备出人工超疏水表面和涂层。通常情况下，超疏水表面定义为静态水接触角大于150°且滚动角小于10°的固体表面。从技术实现路径来看，超疏水表面的制备策略可归纳为两大类：一是在低表面能材料上构建微纳米粗糙结构；二是在粗糙表面上进行低表面能物质修饰。常用的制备方法包括溶胶-凝胶法、化学气相沉积、电化学沉积、模板法、相分离法、喷涂法和浸涂法等。随着纳米技术的进步，研究者已能够实现对表面形貌的精确调控，从而获得性能更加优异的超疏水材料。1.2标准化需求的迫切性尽管超疏水表面和涂层的研究成果丰硕，但其从实验室走向工程应用仍面临诸多挑战。其中最为突出的问题之一是测试方法和评价标准的缺失。具体表现为：第一，测试方法不统一。不同研究团队在测量接触角时采用的液滴体积（从2μL到10μL不等）、测量环境和数据处理方法各异，导致即使同一材料在不同实验室得到的接触角数值也存在显著差异。部分研究仅报告接触角而忽略了滚动角或接触角滞后等关键参数。第二，耐久性评价缺乏规范。超疏水表面在实际应用中面临机械磨损、紫外辐射、化学腐蚀、温度变化等多重环境因素的作用，其耐久性直接决定了使用寿命。然而，各研究团队自行设计的磨损测试、剥离测试、浸泡测试等方法无法互相比较，难以客观评价不同材料的实际性能。第三，性能评估指标不清晰。除润湿性能外，超疏水表面的光学透过率、附着强度、耐候性、修复能力等功能性指标同样至关重要，但缺乏统一的量化评价指标和分级标准。因此，建立一套科学、统一、可操作的国际标准，对于推动超疏水表面和涂层领域的技术交流、质量控制和工程应用具有迫切的现实意义。1.3ISO/TC229与标准研制路径ISO/TC229（纳米技术委员会）成立于2005年，是国际标准化组织专门负责纳米技术领域标准制定的技术委员会，秘书处由英国标准协会（BSI）承担。该委员会下设多个工作组（WG），涵盖了纳米材料的术语、表征、健康与环境安全以及纳米技术产品的性能评估等方向。ISO/TS10689:2023即为ISO/TC229框架下的重要成果之一。该标准的研制工作于2019年正式启动，由中国、英国、日本、韩国、德国等国家的专家共同参与。经过多轮工作组讨论、草案修订、委员会投票等程序，最终于2023年8月8日由ISO正式发布。这是超疏水表面和涂层领域首项ISO层面的技术规范，具有里程碑式的意义。二、标准的主要内容2.1标准的基本信息-标准编号：ISO/TS10689:2023-标准全称：Nanotechnologies—Superhydrophobicsurfacesandcoatings:Characteristicsandperformanceassessment-标准性质：技术规范（TechnicalSpecification,TS）-发布机构：国际标准化组织（ISO）-技术归口：ISO/TC229（纳米技术委员会）-发布日期：2023年8月8日-当前状态：现行有效-标准语言：英文-国际标准分类（ICS）：07.120（纳米技术）；87.040（涂料和清漆）2.2标准的适用范围ISO/TS10689:2023适用于具有超疏水特性的固体表面和涂层，涵盖平面和非平面基材、刚性及柔性基材上的超疏水涂层和结构表面。该标准既适用于实验室研究阶段的样品评价，也适用于工业化生产和工程质量控制中的性能检验。值得注意的是，该标准主要针对以水为测试液体的超疏水性能评估，对于其他低表面张力液体（如油类）的超疏油或双疏性能不在本标准的适用范围内。2.3关键特性参数体系该标准构建了一套系统的超疏水表面特性指标体系，主要包括以下几个维度：（1）润湿性能指标-静态水接触角（StaticWaterContactAngle,WCA）：采用座滴法测量，规定了液滴体积范围（通常为3–5μL）、测量环境条件（温度23°C±2°C，相对湿度50%±10%）、测量点选取及数据统计方法。标准规定，超疏水表面的静态水接触角应≥150°。-滚动角（Sliding/Roll-offAngle,SA）：定义了样品台倾斜至液滴开始滚动的最小角度，标准建议液滴体积为10–20μL。超疏水表面的滚动角应≤10°。-接触角滞后（ContactAngleHysteresis,CAH）：即前进接触角与后退接触角之差，是评价表面动态疏水性的重要参数。标准推荐使用增减液滴法或倾斜板法进行测量。（2）耐久性指标-机械耐久性：包括线性磨损测试（采用规定的磨擦介质、载荷和循环次数）、胶带剥离测试（评价涂层与基材的附着力）、砂粒冲击测试（模拟风沙侵蚀环境）等方法。标准规定了各类测试的具体参数和停机准则。-化学稳定性：包括耐酸碱浸泡测试（pH值范围1–13，规定浸泡时间和温度）、耐盐雾腐蚀测试（参考ISO9227标准）以及耐有机溶剂测试。-环境耐久性：包括耐紫外老化测试（参考ISO4892系列标准）、耐高低温循环测试（如-40°C至+80°C循环）以及耐湿热老化测试。（3）功能性评估指标-自清洁效果评价：采用人工污物（如炭黑、粉尘等）覆盖后通过水滴冲刷的方式，评价表面自清洁效率。-防冰性能：评估覆冰粘附强度、结冰延缓时间、霜层形成速率等参数。-光学性能：当超疏水涂层应用于透明基材（如玻璃、光学镜片）时，需评价其透过率、雾度等光学指标。标准要求测试报告应完整记录样品制备信息、测试条件和原始数据，确保结果的可追溯性和可复现性。2.4测试方法框架标准参照已有国际标准对测试方法进行了规范性引用，主要涉及以下文件：-ISO19403（色漆和清漆——润湿性测量系列标准）：用于接触角测量方法的基准框架。-ISO9227（人工大气腐蚀试验——盐雾试验）：用于涂层耐盐雾性能评价。-ISO4892（塑料——实验室光源暴露试验方法）：用于光老化试验。-ISO15184（铅笔硬度测试）：用于涂层力学性能评价。-ISO2409（划格法附着力测试）：用于涂层附着性能评价。同时，标准特别强调了表面形貌表征（可采用扫描电子显微镜SEM、原子力显微镜AFM、白光干涉仪等设备）在超疏水性能分析中的辅助作用，指出Cassie-Baxter状态下的复合固-液-气界面是获得超疏水性能的关键机制，建议将表面微观形貌观测结果与润湿性测量数据联合分析。三、标准的技术要点与创新3.1标准化分级体系的建立ISO/TS10689:2023首次针对不同的应用场景，提出了超疏水性能的分级评价建议。对于静态接触角，标准在150°基本要求的基础上，建议将>165°定义为"优异"等级；对于滚动角，将<5°定义为"低粘附"状态。此外，标准根据耐久性测试后的性能保持率（如接触角衰减值和滚动角增大值），提出了耐久性等级评价的参考框架。这种分级思路为不同应用领域（如建筑自清洁玻璃、航天防冰涂层、纺织防水面料等）选择合适的超疏水材料提供了依据。3.2精准化测试条件的规范化针对当前文献中普遍存在的测试条件随意性问题，标准对不同参数的测量条件进行了细致规定。例如，在静态水接触角的测量中，标准明确规定了液滴体积的允许误差范围、平衡时间的设定（通常为滴落后10–60秒内读数）、多点测量的采样规则（建议不少于5个测量点）以及异常值剔除的统计学方法。同时，标准建议报告接触角测量结果的均值和标准差，以便于不同材料之间的科学比较。3.3多维度性能评价体系的构建区别于以往仅关注初始润湿性能的评价模式，该标准将耐久性和功能性指标纳入统一评价框架，体现了"性能-耐久-功能"三位一体的评价理念。这一理念对于推动超疏水材料从概念验证走向工程应用具有重要意义，也为后续各行业制定细分领域的应用标准奠定了方法论基础。四、主要参与单位介绍4.1标准研制的国际协作机制ISO/TS10689:2023的研制凝聚了来自全球多个国家的标准化专家和企业技术人员的智慧和经验。在ISO/TC229的组织框架下，由WG7（纳米材料性能评估工作组）牵头，各国积极参与了标准草案的讨论和修订工作。4.2重点参与单位——英国标准协会（BSI）英国标准协会（BritishStandardsInstitution,BSI）作为ISO/TC229的秘书处承担单位，在本标准的研制过程中发挥了核心组织协调作用。BSI成立于1901年，是世界上首个国家标准机构，在纳米技术标准化领域积累了丰富的经验。BSI在ISO/TS10689:2023研制中的主要贡献体现在以下几个方面：组织管理方面：BSI承担了ISO/TC229秘书处的日常管理和运行工作，负责协调各成员国意见反馈、组织工作组会议（包括线上和线下会议）、管理标准研制时间节点和推进流程。在近四年的研制周期中，BSI成功组织了多次国际工作组会议和技术研讨活动，确保了来自不同国家的专家能够在充分沟通的基础上达成技术共识。技术支撑方面：BSI联合英国国家物理实验室（NPL,NationalPhysicalLaboratory）等顶尖科研机构，为标准的测试方法验证提供了系统的实验数据支撑。NPL在表面计量学和润湿性标准化测量方面具有深厚积累，其研究成果为标准中测试方法的可靠性提供了科学依据。国际协调方面：BSI作为英国在国际标准化组织中的代表机构，积极推动各国在超疏水表面测试方法上达成一致。在标准关键参数（如接触角测量条件、耐久性测试方法）的讨论过程中，BSI协调了不同国家之间的技术分歧，促成了可行性方案的最终确定。此外，中国的全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279）及国内相关高校和科研机构也深度参与了该标准的研制工作，在超疏水表面制备和性能表征方面的丰富研究经验为标准技术内容的完善作出了重要贡献。五、标准与现有标准体系的关系5.1与基础标准的关系ISO/TS10689:2023在术语定义方面尽可能与ISO/TC229已发布的基础标准保持一致，特别是：-ISO/TS80004系列（纳米技术——术语与定义）：该标准中关于纳米材料、纳米涂层等基础术语的定义为本标准提供了术语学基础。-ISO/TS27687（纳米物体表征术语）：涉及纳米物体的尺寸和形貌定义。5.2与测试方法标准的关系在测试方法层面，ISO/TS10689:2023大量参考并规范性引用了已有的通用测试标准，如接触角测量方法基本参照色漆和清漆领域的成熟方法框架，但根据超疏水表面的特殊性进行了针对性调整。例如，常规涂层接触角测量中使用的液滴体积为1–2μL，而超疏水表面由于液滴在表面的高度球形形态，标准建议适当增大液滴体积以获得更稳定的测量结果。5.3与其他相关技术规范的关系在防冰涂层、自清洁涂层等具体功能涂层领域，国际上也正在制定一系列针对性标准。ISO/TS10689:2023作为超疏水表面领域的"母标准"，为各细分领域标准提供了通用的测试框架和评价方法论。后续制定的细分标准可以在其框架基础上，根据具体应用场景增加针对性的测试要求。六、标准的应用价值与展望6.1应用价值分析降低贸易技术壁垒。作为国际标准，ISO/TS10689:2023为全球范围内的超疏水材料和产品的贸易提供了统一的技术评价语言，减少因测试方法差异导致的贸易纠纷。推动科研与产业对接。该标准中要求的多维度性能表征框架，促使科研人员在发表研究成果时全面报告材料性能，既提高了研究结果的科学性和可比性，也为企业筛选和评价新技术提供了参考依据。6.2未来展望随着超疏水技术的持续进步，现有标准仍有进一步优化的空间。未来可能的修订方向包括：扩展适用液体范围：将测试液体从水扩展到乙二醇、正十六烷等低表面张力液体，以覆盖疏油和双疏表面的评价需求。增加动态性能评价方法：引入液滴撞击动力学分析、气流冲刷测试等动态评价方法，更全面地反映实际工况下的超疏水性能。完善分级与认证体系：在积累更多实际应用数据和验证经验的基础上，探索建立超疏水产品的分级认证体系，推动标准的采纳和应用。推进技术规范向正式国际标准的转化：随着技术在行业中的持续验证，争取在后续周期内将该技术规范升级为正式国际标准（IS），进一步提升其权威性和约束力。七、结论ISO/TS10689:2023《纳米技术——超疏水表面和涂层：特性和性能评估》是超疏水表面和涂层领域首项国际层面的标准化技术规范。该标准的发布填补了该领域国际标准的关键空白，为解决长期困扰学术界和产业界的测试方法不统一、性能评价不可比等问题提供了权威技术方案。标准构建的"润湿性能-耐久性能-功能性"三位一体的多维评价体系，既反映了当前超疏水技术的研究前沿，也充