自修复超疏水材料的制备及功能化研究进展

通常地，将水接触角大于150°且滚动角小于10°的表面定义为超疏水表面。超疏水材料及表面因其独特的润湿性在自清洁、防雾除冰、油水分离、水中减阻、金属防腐和微流体等众多领域展现出了广阔的应用前景。最初，人们对超疏水现象的认识来源于大自然，如荷叶出于淤泥而不染、水黾能在水面上行走自如、蝴蝶能在雨中自由飞行等。1997年，德国植物学家BARTHLOTT和NEIHUIS等利用SEM观察荷叶表面的微观结构，发现荷叶的超疏水性是由其表面的微米级凸起结构和低表面能的蜡质化学物共同作用产生的。2002年，江雷等研究发现，在荷叶表面的微米级凸起结构上还分布着大量的纳米级乳突。基于此，科研工作者认识到超疏水材料的构建不仅要有微纳分级的粗糙结构，而且还需要低表面能物质的修饰。目前，超疏水材料的制备方法多种多样，如模板法、溶胶-凝胶法、气相沉积法、层层自组装法和静电纺丝法等。根据谷歌学术和中国知网统计，每年发表的与超疏水材料相关的学术论文约3000篇，大量的超疏水材料被制备出来。但是不可忽视的是，超疏水材料在使用过程中，其表面的微纳粗糙结构极易受到外力刮擦而被破坏，同时修饰的低表面能物质也会在日照或者强酸强碱的恶劣环境中被分解，从而导致材料超疏水性的丧失，这在较大程度上限制了其大范围的推广和实际应用。为了克服这些不足以延长超疏水材料的使用寿命，一些研究者将自修复性与超疏水性结合起来，制备出具有优良表面稳定性和循环使用性的自修复超疏水材料。当其表面失去超疏水性后，可自发地或者在一定条件下使超疏水性得到修复。因此，无论是从科学理论还是实际应用的角度来看，自修复超疏水材料的研究均具有重要意义。此外，为了满足防腐、海水淡化、可穿戴电子等特殊领域的需求，还发展了一系列具有防腐、导电、光热转换、抑菌、热致变色等功能的自修复超疏水材料。根据修复机理的不同，可将自修复超疏水材料分为两大类：外援型和本征型。本文分别对这两大类自修复超疏水材料的最新研究进展进行陈述，并对功能化自修复超疏水材料及其应用进行介绍。摘要：该文归纳了近年来自修复超疏水材料的研究进展，总结了外援型和本征型自修复超疏水材料的制备方法，并介绍了功能化自修复超疏水材料的制备及其应用，最后指出了自修复超疏水材料现阶段所面临的挑战和未来的发展方向。与普通超疏水材料相比，自修复超疏水材料具有优良的表面稳定性和循环使用性，其使用寿命得到明显延长。此外，将自修复超疏水材料功能化，还能进一步扩大其使用范围。随着科学技术的发展，自修复超疏水材料必将在电子电器、医疗卫生、人工智能、海水淡化等众多领域中发挥关键性作用。结论与普通的超疏水材料相比，自修复超疏水材料兼具超疏水性和自修复性，不仅能够使其使用寿命得到显著延长并更好地发挥超疏水作用，也可以明显降低运行成本。因此，自修复超疏水材料的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。然而，目前自修复超疏水材料在实际应用中还面临着一些难题需要克服，主要表现在以下3个方面：（1）自修复超疏水材料的制备过程相对较为复杂，所用到的某些功能性原材料的价格较为昂贵，不利于其大范围的推广和应用；（2）大多数自修复超疏水材料很难在室温下实现快速修复，而需要加热、光照、微波等辅助手段加速其修复过程，因此，难以满足对工作稳定性要求较高的可穿戴电子、人工智能等应用领域；（3）通常在提高自修复超疏水材料力学性能的同时，会导致自修复效率下降，如何构建兼具优良力学性能和自修复能力的超疏水材料仍旧是一个巨大的挑战。在后续的自修复超疏水材料研究中，科研工作者应当着力解决上述存在的问题，特别要将研究重点集中在通过选用价格便宜且来源充足的原材料、步骤简单的方法来制备出自修复效果好的超疏水材料，从而推动此类材料的发展和应用。此外，为了获得良好的自修复效果，还可以考虑将不同的修复机制引入到同一体系中，制备能够在高温、低温、酸、碱等不同环境下工作的自修复超疏水材料。还应该加大力度开发功能化自修复超疏水材料，以进一步扩大其应用范围。