張娟芳 吳永民 余江龍

超疏水材料的應(yīng)用狀況和市場前景分析

張娟芳 吳永民 余江龍

對近年來超疏水材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域及日常生活等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。并且根據(jù)其自身的材料特殊性進(jìn)行了市場現(xiàn)狀前景分析，提出制造工藝難，制造成本高等因素是其進(jìn)入市場的最大障礙，需要通過強(qiáng)化其理論知識(shí)深化，并且改進(jìn)加工工藝，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，從而降低其生產(chǎn)成本，拓展應(yīng)用范圍。伴隨價(jià)格障礙的逐漸打破工農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域?qū)⒊蔀槠渲魇袌觥?/p>

超疏水材料 應(yīng)用現(xiàn)狀 市場前景

一、引言

超疏水技術(shù)是一種具有特殊表面性質(zhì)的新型技術(shù)，具有防水、防霧、防雪、防污染、抗氧化、防腐蝕和自清潔以及防止電流傳導(dǎo)等重要特點(diǎn)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)、生活等諸多領(lǐng)域中有極為廣泛的應(yīng)用前景。超疏水技術(shù)對于建筑工業(yè)、汽車工業(yè)、金屬行業(yè)等的防腐防銹及防污也很有現(xiàn)實(shí)意義。特別是近年來的微電子系統(tǒng)、光電子元器件及納米科技等高新技術(shù)的高速發(fā)展,給超疏水涂層的研究和應(yīng)用于勃勃生機(jī)。

超疏水材料的研究以詩句“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”為契機(jī)，以科學(xué)的手段向我們解釋這一奇特的自然現(xiàn)象，荷花表面覆蓋的天然超疏水薄膜，使得水滴聚集成股，順勢流下，沖刷著荷葉表面的淤泥，營造了出淤泥而不染的狀態(tài)。自然界中此類的例子層出不窮，例如：壁虎可以吸附墻面垂直爬行，水黽、蚊子、蜻蜓都能在水上行走而不給水面帶來絲毫的漣漪，就是因?yàn)槠渥闵咸烊坏某杷牧稀o論是基礎(chǔ)研究還是在實(shí)際應(yīng)用方面，浸潤性都是影響固體表面性能的重要因素之一，其主要由幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分共同決定。接觸角和滾動(dòng)角的大小是衡量表面浸潤性最常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。所謂超疏水表面一般是指與表面穩(wěn)定接觸角大于150°，滾動(dòng)接觸角小于10°。它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中有著極其廣闊的應(yīng)用前景。近年來的研究表明,基于對昆蟲的水上實(shí)驗(yàn)觀察，我們還可以使水上飛行成為可能，依據(jù)原理即是在船的底部與船身部分覆蓋超疏水材料的薄膜，達(dá)到防污防腐的作用，從而減輕海水對船本身的擠壓，減小前進(jìn)的阻力，進(jìn)而節(jié)省能源。同時(shí)，室外天線上超疏水材料的使用，也可以對防積雪防冰凍等起到至關(guān)重要的作用。

二、超疏水材料的應(yīng)用

超疏水材料主要利用其自清潔、防污、防粘附等優(yōu)越的特性，廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管道運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍事等領(lǐng)域，下面分別作具體的應(yīng)用分析。

（一）超疏水材料在建筑防污耐水等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

建筑物表面的污染主要是由于空氣中微小顆粒的粘附和雨、雪等的覆蓋污染。伴隨近年來城市化的發(fā)展進(jìn)程逐漸加快，城市人口迅速增加，隨之而來的城市污染加劇了酸雨等災(zāi)害的發(fā)生頻率，大量年代久遠(yuǎn)的建筑物表面被侵蝕，例如樂山大佛面部被酸雨侵蝕的痕跡就很明顯地顯露出來。超疏水材料因其獨(dú)特的疏水性，在建筑物內(nèi)外墻、玻璃及金屬框架等部位恰當(dāng)?shù)氖褂贸杷牧希梢云鸬胶芎玫姆浪?、防雪和耐沾污等特性，同時(shí)，可降低建筑物的清潔及維護(hù)成本，使得建筑物能長久保持亮麗的外觀。綜述，超疏水材料在建筑物的自清潔，防污等領(lǐng)域的發(fā)展擁有廣闊的發(fā)展空間。目前，超疏水表面材料在建筑防污染面的產(chǎn)品主要是涂層及防護(hù)液等，如中科賽納技術(shù)有限公司采用納米合成技術(shù)制備的納米超疏水自清潔玻璃涂層。該涂層大體具有無色透明、無毒、無污染牢固度高且具有自清潔、防結(jié)冰、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)。

（二）超疏水表面材料在船舶提高浮力方面的應(yīng)用

據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，不論是在水面的滑行、跳躍，還是快速掠過，水黽都既不會(huì)滑破水面，更不會(huì)浸濕腿部。因而也就被美譽(yù)為“池塘中的溜冰者”根據(jù)這一現(xiàn)象，科學(xué)家經(jīng)過論證得出，水黽特殊腿部微納米結(jié)構(gòu)和水面間形成的“空氣墊”，阻礙了水滴的浸潤，讓它們實(shí)現(xiàn)了自然界版的“水上漂”。據(jù)了解，利用新型超疏水材料制成的超級(jí)浮力材料，可以使船表面具有超疏水性，并因此在其表面形成具體版的“空氣墊”，改變船與水的接觸狀態(tài)，防止船體表面被水浸濕，進(jìn)而使其在水中運(yùn)行的阻力更小，提高速度，節(jié)省了能源。研究人員表明，交通工具的“水上飛”，可以有效地提高交通工具的速度，節(jié)省一定的能源，有可能也會(huì)順勢引起交通、能源領(lǐng)域的一次革新。

（三）超疏水表面材料在管道運(yùn)輸方面的應(yīng)用

天然氣的管道運(yùn)輸因其傳輸距離遠(yuǎn)，線路可控設(shè)備投入較簡單等優(yōu)勢已經(jīng)成為陸上天然氣資源的主要輸送方式，但由于天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳和水等腐蝕性物質(zhì)，因而管道容易發(fā)生均勻腐蝕、坑蝕、電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕等現(xiàn)象。由于管道內(nèi)壁表面粗糙等原因，天然氣的傳輸效率也較低。針對上述問題，許多學(xué)者在這方面做了很多工作，例如在鋁及其合金表面上制備超疏水薄膜，使其防腐能力明顯提高，碳納米管粘接在基材鋁板表面以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，然后用聚四氟乙烯修飾該復(fù)合表面上以形成一層超疏水PTFE膜（如圖1所示）。

圖1 微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水表面

在國外，許多鋁、鐵、碳鋼等金屬以及合金表面都會(huì)用超疏水膜來修飾，以提高其防腐蝕性。該方法可有效地運(yùn)用在如管道氣體、液體運(yùn)輸減阻等多方面，對降低運(yùn)輸能耗，提高輸送效率有很大幫助，未來有較大的開發(fā)應(yīng)用空間。

（四）超疏水材料在織物及過濾材料方面的應(yīng)用

采用靜電紡絲法或者在材料表面進(jìn)行處理可制備具有超疏水性的各種微納米結(jié)構(gòu)纖維。這類材料因具有超疏水性能，可用于制造防水薄膜、疏水濾膜以及防水透氣薄膜等，或者使織物因疏水性能而具有防水、防污染、防灰塵等新功能。

德國巴斯夫（BASF）公司也將荷葉效應(yīng)應(yīng)用到紡織品上，開發(fā)出具有超疏水自清潔功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。而上海名列化工科技有限公司則開發(fā)出了MLCF系列多孔薄膜（如圖2所示）。

圖2 PTFE纖維濾膜

超疏水材料在超細(xì)纖維制備、現(xiàn)有纖維或者織物的超疏水處理及制備分子級(jí)的纖維疏水過濾材料等方面都有十分廣泛的應(yīng)用，對纖維及紡織領(lǐng)域的應(yīng)用功能拓展和更新?lián)Q代有積極的推動(dòng)作用。通過此類技術(shù)的發(fā)展，日常生活領(lǐng)域?qū)?huì)為其提供優(yōu)越的發(fā)展空間。同時(shí)，人類的生活也將更加科技化、舒適化、便捷化。

（五）超疏水材料在微流體控制方面的應(yīng)用

超疏水材料表面所具有的不浸潤性及低表面粘滯力，使其在微流體控制應(yīng)用方面也有十分出色的表現(xiàn)。比如控制微液滴的運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)，若用其微量注射器的針尖部位，可以盡可能完全的消除昂貴的藥品在針尖上的依附，而緩解醫(yī)藥用品的浪費(fèi)和對針尖的污染。如果將這類技術(shù)運(yùn)用到諸如噴涂領(lǐng)域，比如用超疏水材料制造噴漆噴膠等的噴頭，將會(huì)使噴涂的液滴更加均勻，霧化效果更好，可以運(yùn)用在對噴涂效果有特殊要求的場合，以顯示其良好特性。

三、超疏水材料應(yīng)用的SWOT分析

這里我們主要用SWOT分析法，通過對超疏水材料在市場和同行業(yè)的優(yōu)劣勢及機(jī)會(huì)威脅的分析，準(zhǔn)確對應(yīng)用市場的定位，將產(chǎn)品推向市場。

（一）優(yōu)勢分析

1.我國目前材料消費(fèi)市場以新型環(huán)保為消費(fèi)理念，并且超疏水材料以自然界中荷花表面附著水滴自由下落，且出淤泥而不染為研究論據(jù)，無形中給消費(fèi)者帶來好奇心，伴隨理論研究方面對超疏水材料長達(dá)數(shù)十年的理論攻克，研究開發(fā)策略基本夯實(shí)，同時(shí)，對我們來說最大的機(jī)遇則是市場目前并沒有投入使用的超疏水材料，市場份額空缺，當(dāng)我們的研究材料投入市場，可以把握市場主動(dòng)權(quán)。其次，超疏水材料可以分別應(yīng)用于日常生活領(lǐng)域、醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及國防事業(yè)領(lǐng)域，其涉及面廣泛，可以更加優(yōu)越的采取“多品牌”策略，以各種不同的產(chǎn)品敲開不同的市場之門，緩解競爭壓力。

2.宣傳推廣的優(yōu)勢。目前電子信息時(shí)代的逐漸深入發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)媒體、廣告報(bào)刊等宣傳媒介為我們進(jìn)一步宣傳產(chǎn)品提供有效的幫助，在無形中以“軟實(shí)力”贏得市場份額。

（二）弱勢分析

1.超疏水材料技術(shù)是一個(gè)新名詞，超疏水材料在我國還沒有可以正式投入生產(chǎn)使用的產(chǎn)品，對其深入了解的人群僅限于研究人員及知識(shí)分子，并不為大多數(shù)人所知曉，因此，推廣難度大。

2.目前，大多數(shù)制備方法還存在實(shí)驗(yàn)條件苛刻、步驟繁瑣、成本高等問題，無法工程化應(yīng)用?，F(xiàn)已投入市場的超疏水材料也存在如表面微細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、易老化、易磨損、易污染、使用壽命短等缺點(diǎn)。因此，對超疏水表面制備技術(shù)的研究還有許多工作要做。隨著理論研究的不斷深入,以及制備工藝的優(yōu)化和制備方法的創(chuàng)新，超疏水界面材料的研究必將在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮更加重要的作用。

（三）機(jī)會(huì)分析

1.國家政策的支持。（1）從我國國情和科技、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)出發(fā)，現(xiàn)階段選擇節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料和新能源汽車七個(gè)產(chǎn)業(yè)，在重點(diǎn)領(lǐng)域集中力量，加快推進(jìn)。（2）科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛,國家提倡強(qiáng)化科技創(chuàng)新，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力。加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)和前沿技術(shù)研究，強(qiáng)化企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力建設(shè)，加強(qiáng)高技能人才隊(duì)伍建設(shè)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)造、運(yùn)用、保護(hù)、管理，實(shí)施重大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展工程，建設(shè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新支撐體系，推進(jìn)重大科技成果產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展。因而給超疏水材料的發(fā)展?fàn)I造良好的國內(nèi)發(fā)展環(huán)境。（3）國家支持發(fā)展小微企業(yè)及新興企業(yè)，同時(shí)，加大財(cái)稅金融等政策扶持力度，引導(dǎo)和鼓勵(lì)社會(huì)資金投入。設(shè)立戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金，建立穩(wěn)定的財(cái)政投入增長機(jī)制。制定完善促進(jìn)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的稅收支持政策。鼓勵(lì)金融機(jī)構(gòu)加大信貸支持，發(fā)揮多層次資本市場的融資功能，大力發(fā)展創(chuàng)業(yè)投資和股權(quán)投資基金。

（四）威脅分析

1.超疏水材料的研究成本費(fèi)用主要是生產(chǎn)上的制造費(fèi)用，由于其制造需要很多結(jié)構(gòu)精密的儀器和大批量的化學(xué)藥劑，從而使其成本偏高，限制于實(shí)驗(yàn)室和研究價(jià)值。其次，由于制造成本高昂，只有在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的條件下，發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟(jì)才能使生產(chǎn)廠商有利可圖，所以在投入生產(chǎn)時(shí)就需要有資金實(shí)力強(qiáng)的大廠商，從而使其生產(chǎn)受到限制，普通小型廠商不能加入競爭，出現(xiàn)進(jìn)入門檻高的現(xiàn)象。最后，為實(shí)現(xiàn)超疏水材料的質(zhì)量、性能等方面的優(yōu)良，就需要具有相關(guān)專業(yè)知識(shí)和理論基礎(chǔ)的技術(shù)人員，這也加大了其成本費(fèi)用。因此，要實(shí)現(xiàn)市場上的流通就必須研究其制造方法，使其趨向自動(dòng)化和易操作，更好的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，便捷人們生活。

2.打破高價(jià)格障礙是超疏水材料進(jìn)入市場的關(guān)鍵，價(jià)格的挑戰(zhàn)促使超疏水材料研究者致力于開發(fā)低成本的新型材料，以推動(dòng)其產(chǎn)品的市場化進(jìn)程。

3.超疏水材料雖然具有清潔環(huán)保等優(yōu)良的性能，但是價(jià)格過于昂貴，很難找到商業(yè)應(yīng)用的市場，所以一直未能大規(guī)模地投入市場，近年來研究人員在努力降低其生產(chǎn)成本等方面進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，努力打破其價(jià)格障礙。然而，超疏水材料在保持其高價(jià)格的同時(shí)也要看到其優(yōu)良的性能和使用壽命帶來的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，要努力改進(jìn)加工技術(shù)，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，走商品化的生產(chǎn)化道路，只有在生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到一定水平后，超疏水材料才能達(dá)到企業(yè)所接受的水平。

4.由于材料市場的可替代品多，且價(jià)格的層次不齊，產(chǎn)品收益會(huì)大打折扣。

四、超疏水材料的市場前景分析

雖然國內(nèi)外的專家學(xué)者相繼通過研究得出大量關(guān)于超疏水材料的理論成果，但基本仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，市場的使用率基本接近無，且民眾的認(rèn)知率也極為有限，這些都是各企業(yè)唯恐不及的困難，若把握好這一局面，將會(huì)有巨大的市場主動(dòng)性。首先，依賴簡單經(jīng)濟(jì)，環(huán)保友好的制備方法，順應(yīng)“綠色環(huán)?？萍肌钡陌l(fā)展理念，率先給民眾樹立良好的產(chǎn)品形象，潛移默化地贏得顧客青睞。其次，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，制作的產(chǎn)品貼合群眾生活，從日常生活領(lǐng)域拓展產(chǎn)品的深入步伐，其拓展領(lǐng)域之大可想而知。最終，在工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域逐漸打開市場，進(jìn)行市場的全方位經(jīng)營?？傊杷牧系膬?yōu)良性能是其深入市場的利劍，只要把握好其對象，定會(huì)迅速搶占市場先機(jī)。

五、結(jié)論

伴隨著商品經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，越來越多的消費(fèi)者在追求商品質(zhì)量的完美性及使用的可操作性的同時(shí)，更加注重產(chǎn)品的綠色環(huán)保等性能，超疏水材料以其獨(dú)特的表面特征，如清潔、防腐、生物相容性及超疏水性等，可以廣泛應(yīng)用于日常生活領(lǐng)域、醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及國防領(lǐng)域等，進(jìn)而引起了人們對其研究探索的極大興趣，致力于開發(fā)出新型環(huán)保的超疏水材料來貢獻(xiàn)于人類生活。它的廣泛發(fā)展將促進(jìn)清潔環(huán)保材料的更新?lián)Q代，加快工業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程。

[本文為國家級(jí)創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目：“超疏水材料在日常生活領(lǐng)域的應(yīng)用推廣”，項(xiàng)目編號(hào)：20130731010]

[1]BARTHLOT T P.Eng ineering shar k skin and other solutions[J]. Nature，1999

[2]Feng L,Li SH,LiYS,LiHJ,Zhang LJ,Zhai J,Song YL,Liu BQ, Jiang L,Zhu DB.Super-hydrophobic surfaces:From natural to artificialAdv M ater,2002（14）

[3]Nakajima A,Fujishima A,Hashimoto K,W atanabe T.Preparation of transparent superhydrophobic boehm ite and silica films by sublimation of aluminum acetylacetonate.Adv Mater,1999（11）

[4]Sun TL,Feng L,Gao XF,Jiang L.Bioinspired surfacesw ith special wettability.Acc Chem Res,2005（38）

[5]Feng XJ,Jiang L.Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces.Adv Mater,2006（18）

[6]Ma ML,Hill RM.Superhydrophobic surfaces.Curr Opin Colloid Interface Sci,2006（11）

[7]Quere D,Wetting and roughness.Ann Rev Mater Res,2008（38）

[8]Paxson Adam，K ripa K Varansi，Deng T，et al.Preferential Condensation of W ater Droplets Using Hybrid Hydrophobic-Hydrophilic Surfaces［J］.Bulletin of the American Physical Society，2010(16)

[9]Feng L，Li S，Li Y，et al．Super-Hydrophobic Surface:From natural to artificial［J］.Adv M at，2002(24)

[10]Kripa K Varanasi，Deng T，David Sm ith J，et al.Frost Formation and Ice Adhesion on Superhydrophobic Surfaces[J].Appl Phys Lett，2010（23）

[11]Feng L，Li S，Li H J，et al.Super-Hydrophobic Surface of Aligned Polyacrylonitrile Nanofibers［J］.Angew Chem，2002

[12]江雷.從自然到仿生的超疏水納米界面材料[J].化工進(jìn)展，2003（12）

[13]吳云影.水性表面上水滴移動(dòng)的觀察與解析[J].廣東化工，2010（1）

[14]劉霞，高原，呼愛妮，等.超疏水性納米界面材料的制備及其研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008（11）

[15]陳俊,王振輝,王瑋,等.超疏水表面材料的制備與應(yīng)用.中國材料進(jìn)展，2013（7）

（作者單位：蘭州理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 甘肅蘭州 730050；通訊作者：余江龍）

（責(zé)編：賈偉）

F406.3

A

1004-4914(2014)10-265-03