隨著環(huán)境污染的不斷加劇，越來越嚴(yán)重的霧霾、油性煙霧、尾氣廢氣等給建筑外墻帶來嚴(yán)重的侵蝕，影響其美觀性、功能性及耐久性。耐沾污能力差是傳統(tǒng)外墻涂料普遍存在的缺點(diǎn)，在一定程度上制約了其應(yīng)用。因此，針對(duì)目前外墻涂料耐污能力不足的問題，具有自清潔功能的涂料成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

清潔被污染的建筑外墻等不僅需要較高的投入，而且表面活性劑的使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此具有自清潔效果的功能涂料應(yīng)運(yùn)而生。自清潔涂料能夠借助雨水等自然條件沖刷保持戶外物件表面干凈，不僅能夠降低維護(hù)費(fèi)用，減少勞動(dòng)力的需求，同時(shí)可以將對(duì)環(huán)境的污染降到*低，可廣泛應(yīng)用于高層建筑、幕墻、橋梁及汽車、風(fēng)力發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域。

自然界中普遍存在通過形成疏水表面來達(dá)到自清潔功能的現(xiàn)象，例如以荷葉為代表的多種植物的葉子和花?昆蟲的腿和翅膀等均表現(xiàn)出低粘附、自清潔能力，這種現(xiàn)象被稱為“荷葉效應(yīng)”?“荷葉效應(yīng)”的仿生學(xué)原理是自清潔技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，德國(guó)波恩大學(xué)植物家 W.Barthlott 和 Neinhuis等系統(tǒng)地研究了荷葉表面的自清潔效應(yīng)，通過電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)荷葉表面生長(zhǎng)著無數(shù)微米乳突，并且其表面覆蓋著納米蠟質(zhì)晶體。2002年，中科院化學(xué)所江雷等研究發(fā)現(xiàn)荷葉表面微米乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，乳突的平均直徑為 5~9 μm，每個(gè)乳突表面還分布著直徑約為 124 nm 的絨毛，研究還發(fā)現(xiàn)這些乳突之間也存在納米結(jié)構(gòu)(圖 1)。大量研究證實(shí)，微米、納米級(jí)的微觀粗糙結(jié)構(gòu)及具有低表面能的蠟質(zhì)晶體的共同作用，使荷葉表面具有高水接觸角、低滾動(dòng)角，從而表現(xiàn)出超疏水自清潔效果。

圖 1 荷葉表面微觀結(jié)構(gòu)模型

疏水性涂料的自清潔行為來源于其高的水接觸角和低的滾動(dòng)角。當(dāng)水珠滴在疏水表面上，液滴不能自動(dòng)擴(kuò)展，保持其球形狀態(tài)，減少與涂層的接觸面積。當(dāng)該表面具有一個(gè)較小的傾斜角時(shí)，液滴在涂層表面滾動(dòng)，污染物粘附在水珠表面被帶走，從而起到自清潔的作用。

合適的表面粗糙度和低表面能物質(zhì)表面的潤(rùn)濕性能與表面的微觀結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。疏水表面的制備通常采用硅烷或氟碳鏈降低表面能，但研究表明在光滑的物體表面上通過化學(xué)方法調(diào)節(jié)表面能并不能完全實(shí)現(xiàn)超疏水自清潔的目的。 因此，通過構(gòu)建合適的微觀粗糙結(jié)構(gòu)與引入低表面能物質(zhì)共同作用，才能更好地實(shí)現(xiàn)疏水自清潔。目前，制備仿荷葉效應(yīng)的疏水性自清潔表面的方法較多(表1)，通常采用多種方法聯(lián)用能夠達(dá)到更理想的效果。

表１疏水自清潔表面的制備方法

合適的表面粗糙度和低表面能物質(zhì)是實(shí)現(xiàn)疏水自清潔的關(guān)鍵。根據(jù)“荷葉效應(yīng)”自清潔的原理，實(shí)現(xiàn)疏水自清潔的途徑主要有兩種：一是在粗糙表面上修飾低表面能物質(zhì)，通常用于制備疏水表面的低表面能材料主要有聚硅氧烷、氟碳化合物及其他有機(jī)物(如聚乙烯?聚苯乙烯等)；二是在疏水材料表面構(gòu)建類似荷葉表面的粗糙結(jié)構(gòu)，制備方法有無機(jī)納米粒子(如TiO₂?SiO₂?ZnO等)修飾、激光/等離子體/化學(xué)刻蝕、模板法、靜電紡絲法、溶膠-凝膠、自組裝、電化學(xué)沉積及化學(xué)氣相沉積等多種。

低表面能物質(zhì)易在聚合物表面富集，顯著改善聚合物的耐水性，使聚合物具有較好的疏水性、自清潔性。因此，具有耐氧化和低表面能等顯著優(yōu)點(diǎn)的有機(jī)硅、有機(jī)氟等物質(zhì)常被用來制備超水自清潔表面。硅樹脂廣泛應(yīng)用于高壓戶外絕緣材、防污涂料和超疏水材料等多個(gè)領(lǐng)域。聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其固有的變形性和疏水特性常用來制備疏水表面。Jin等利用激光刻蝕法在PDMS表面制備了具有微米、納米粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水表面，測(cè)得表面的水接觸角高達(dá)160°、滾動(dòng)角低于5°，具有良好的疏水自清潔性能。Khorasani等利用 CO₂脈沖激光作為激發(fā)源在 PDMS 表面引入過氧化物基團(tuán)對(duì)其進(jìn)行表面改性，利用過氧化基團(tuán)在 PDMS 表面接枝甲基丙烯酸 2-羥乙基酯的高聚物。實(shí)驗(yàn)表明，由于 PDMS 表面的多孔性及高聚物鏈段的存在，涂層表面的水接觸角高達(dá)到 175°，具有優(yōu)異的疏水性能。

具有一定透明度的硅氟改性聚甲基丙烯酸酯在制備疏水性自清潔涂料時(shí)也有著廣泛應(yīng)用。魏海洋等采用微乳液聚合法制備了甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸全氟烷基乙酯的無規(guī)共聚物超疏水涂膜，該疏水表面由低表面能物質(zhì)和適宜的粗糙結(jié)構(gòu)組成，涂膜接觸角高于150°且滾動(dòng)角低于 3°，具有良好的超疏水自清潔性能。Hwang 等采用噴射沉積方法由 3-[三[(**基硅烷)氧]-硅]丙基丙烯酸酯(SiMA)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)的無規(guī)共聚物制備了透明的超疏水表面。該表面具有類似荷葉表面的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，具有高的水接觸角和低的滯后角，此外該疏水表面在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)是透明的。目前，噴射沉積法作為一種簡(jiǎn)單的制備超疏水表面的方法可適用于大規(guī)模的制備過程，并且可望成為一種工業(yè)應(yīng)用中較為經(jīng)濟(jì)的制備方法，原理如圖２。

圖2噴射沉積法原理示意圖

Her等利用CF₄等離子體刻蝕法及水解過程制備了具有納米結(jié)構(gòu)的PMMA 透明超疏水表面?通過等離子體刻蝕在PMMA表面形成了具有高長(zhǎng)徑比的納米尺寸柱體，但由于一些不必要的覆蓋層的積累導(dǎo)致其透明度下降，因此隨后的水解過程可以將表面沉積的金屬氟化物移除，提升其透明度，疏水涂層的水接觸角約為 160°? 等離子體刻蝕表面改性和水解過程是常見并且環(huán)境友好的處理方法,在提高自清潔能力和保持其較高透明度的同時(shí)擴(kuò)大了PMMA的應(yīng)用領(lǐng)域，如可應(yīng)用于智能窗、太陽(yáng)能電池板及生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。

5結(jié)語(yǔ)

自清潔表面在自然界中已存在數(shù)千年，但是自清潔產(chǎn)品在日常生活中的應(yīng)用只有短短幾十年。自清潔涂料由于其環(huán)境友好及資源節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)**吸引力，應(yīng)用范圍極其廣泛，從高層建筑、戶外幕墻、自清潔玻璃、太陽(yáng)能電池板到生物醫(yī)用設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。

水性自清潔涂料不僅有利于環(huán)保，同時(shí)無需耗費(fèi)大量資源維護(hù)，符合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的要求，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α５牵壳八宰郧鍧嵧苛先匀淮嬖谝恍┴酱鉀Q的問題，例如疏水涂料的穩(wěn)定性和耐久性、疏水自清潔性能的強(qiáng)度以及如何實(shí)現(xiàn)大面積制備疏水自清潔涂層等。隨著多種制備方法的出現(xiàn)和聯(lián)合使用，以及有機(jī)-無機(jī)雜化技術(shù)的不斷發(fā)展，開發(fā)環(huán)境友好、耐污性能穩(wěn)定、施工方便的多功能水性自清潔涂料將是未來發(fā)展的主要方向。