超疏水涂层因其独特的浸润特性,在航空航天、海洋工程、电子工程和新能源等高新技术领域展现出广阔的应用前景。这类涂层通过其特殊的表面结构,能够实现水滴的快速滚落,从而表现出优异的防污、防冰、抗腐蚀等性能。然而,在实际应用过程中,超疏水涂层所依赖的低表面自由能和微纳米级粗糙结构易受机械磨损影响,且在强紫外线辐射和化学腐蚀等严苛环境条件下表现出较差的耐受性,这一耐久性问题已成为制约其工业化应用的主要瓶颈。基于此,本综述系统探讨了提升超疏水涂层耐久性的有效策略,致力于解决该领域的关键技术难题,以期为推动超疏水涂层技术的工业化应用提供理论依据和技术参考。
在理论层面,Cassie-Baxter模型是对Wenzel模型的进一步补充和扩展。Cassie与Baxter在研究自然界中的超疏水表面后,提出了气穴模型。该模型认为接触面不仅存在固相和液相接触界面,还存在气相和固相接触界面。在这种模型中,表面粗糙结构尺寸较小,甚至远小于液滴尺寸,疏水表面的凹槽中留有空气柱,液滴未完全填满凹槽,与表面形成气穴,从而使液滴更容易在表面上滚动。结合Wenzel和Cassie-Baxter两种理论模型以及自然界中的超疏水表面现象,可以得出形成超疏水表面需要同时满足两个关键条件:一是表面具有较低的表面自由能;二是表面具有一定粗糙度的微纳米结构。

在应用方面,喷涂法制备的超疏水涂层在多个领域展现出显著优势。在防污与自清洁领域,超疏水表面因其独特的自清洁性能而备受关注。其作用机理主要体现在以下几个方面:一是在低表面能的粗糙表面上,污染物(如灰尘颗粒)与超疏水表面的实际接触面积减小,导致两者间的附着力大幅降低;二是当水滴在表面滚动时,能够有效捕获并包裹这些污染物颗粒,并在滚落过程中将其带离表面,从而实现自清洁效果;三是环境中的重力、风力等外力作用也可协同促进污染物的去除。例如,Na等制备出一种应用于智能光伏窗户的涂层,通过集成多功能变色单元(MCU)和硅太阳能电池,实现了宽带光调制、自驱动和自清洁功能。

针对超疏水涂层的耐久性提升,本综述提出了五大策略。首先,构建自修复能力是提升涂层耐久性的有效途径。通过引入自修复材料,涂层在受到损伤后能够自动修复,从而恢复其超疏水性能。其次,多层级微纳米结构设计能够增强涂层的机械稳定性和抗磨损能力。这种设计通过在不同尺度上构建粗糙结构,提高了涂层的整体耐久性。第三,引入保护性结构能够有效隔离外部环境对涂层的侵蚀,从而延长其使用寿命。第四,优化树脂交联密度可以增强涂层的化学稳定性和抗腐蚀性能。通过调整交联剂的用量和类型,能够提高涂层的交联程度,从而增强其耐久性。最后,采用层状/刚性材料增强能够进一步提升涂层的机械强度和抗冲击能力。这种策略通过引入高强度材料,提高了涂层的整体性能。
在商业化应用方面,超疏水涂层仍面临诸多挑战。例如,大规模生产中的成本控制、不同应用场景下的性能适配等问题仍需进一步解决。未来,随着材料科学和表面工程技术的不断发展,超疏水涂层有望在更多领域实现突破性应用。通过持续优化制备工艺、开发新型材料以及探索新的应用场景,超疏水涂层技术将迎来更加广阔的发展前景。