超疏水纸表面的形成机理及研究进展

一般来说，超疏水表面的定义为水滴在其表面上须满足水接触角＞150°、滑动角＜10°，这就意味着水滴落在超疏水表面上时几乎成一个球形且易于滚动。这些表面由于具有自净性、抗蚀性、微流体的滑流、抗生物淤积、防雪防雾等优势，可以应用在抗腐蚀、抗反射的透明涂料，需要特殊润湿性的功能织物，防雪防雾防冰的天线、玻璃以及一些微流设备等。

1 超疏水表面的形成机理

大自然中有许多天然的超疏水表面，最为常见的是荷叶。图1为荷叶表面的高分辨率扫描电子显微镜（SEM）图像，可以观察到荷叶表面无序分布着5～10 µm的突起，且突起上特有直径为100～200 nm毛状纳米结构。这些复合表面纹理包含了微米、纳米范围的分层结构，放大了荷叶表面表皮蜡膜的疏水性，从而得到150～160°的接触角和约2°的滑动角。

2 超疏水纸张的制备方法

虽然国内外对超疏水表面已有很多研究，但是以纸为基底的超疏水研究并不多。因为纸张中羟基、羧基、磺酸基等的存在具有亲水性，从而限制了其在一些高疏水性领域的应用，超疏水纸张的成功制备将极大地发挥纸张潜在价值、拓宽应用范围。

超疏水涂层和表面的制备有许多方法，如蚀刻和光刻、制模、等离子处理、电化学沉积、化学蒸汽沉积法、溶胶-凝胶法、层层自聚法、静电纺丝、湿化学反应、超临界溶液快速膨胀法等。具体的制备超疏水纸的方法可归纳为4种：

（1）浆内添加改性无机颗粒；

（2）以纸张为基底，使用无机颗粒。其中包括先用无机颗粒粗糙化表面，再进行疏水改性，或者先疏水改性无机颗粒，再固着到纸上；

（3）以纸张为基底，使用疏水性物质，使之自身在纸张表面形成纳米-微米结构；

（4）对纸张进行处理，使其自身形成纳米-微米的粗糙结构，再进行疏水化改性。

3 超疏水纸张的展望

随着对超疏水纸形成机理的不断研究，其制备方法也越来越多样化，但应用于工业生产仍存在一定困难。

3.1 加工新方法

有报道通过在常压下使用连续卷对卷工艺在纸板上形成纳米级涂层，通过以TiO2纳米颗粒为主的纳米结构的透明涂料，在大气状态下使用液体火焰喷射法（LFS）沉积到颜料涂布过的纸板生产线上，所得纸板表面测得的最高水接触角超过160°，水滴滴落时会有从表面反弹的现象，而水滴静止时对其具有很强的黏附力。

3.2 如何解决透明度

超疏水表面的粗糙结构因发生光散射会降低透明度，从而影响对透明度有较高要求的产品性能。由于可见光波长为400～750nm，如果制备透明的超疏水薄膜则需控制表面粗糙度小于100nm，针对少数需要透明度的纸张，需控制纸张表面涂层的厚度。而对大多数需要增加不透明度的超疏水纸张，可以考虑加入无机颗粒。

3.3 其他领域的应用

超疏水表面已不仅仅限于与水相关领域的应用，常常也涉及到和油接触的情况，所以同时具有超疏水性和超疏油性将是领域内新的发展趋势。另外，对外界刺激有所反应的超疏水表面也有非常好的前景，如将超疏水表面通过电化学氧化还原反应和光化学反应变成亲水表面，或将亲水表面变成超疏水表面等。

3.4 机械性能

超疏水纸张实际运用中最大的挑战在于机械耐用性，表面长期暴露在外界环境中，污渍不断累积，会使超疏水性退化。针状或柱状的表面被认为是超疏水的理想形态，但这种结构一般不够牢固；相反的，半球形或弹坑状的结构从机械强度的观点更为可取。因此如何选择合适的表面纹理使超疏水性能够保持长久是需解决的根本问题。

4 结语

超疏水纸张不仅具有纤维材料固有的生物可降解、可再生、柔软、廉价等优点，而且其表面具有自净性、抗蚀性、抗生物淤积、防雪防雾等功能，可以代替传统的金属、陶瓷和高分子材料，广泛应用在建筑、汽车、电子器件等行业，并且在快餐、微波炉食品、饮料包装、自净的标签和纸板以及导热表面和微流体设备等领域的应用也表现出良好的发展势头。随着科学技术的发展和人们对绿色环保产品的重视，超疏水纸张的应用领域会更加广阔。