ZnO-PDMS超疏水性涂層：制備工藝、性能特征與多元應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)領(lǐng)域，超疏水涂層由于其獨(dú)特的表面性質(zhì)，展現(xiàn)出了極為廣泛的應(yīng)用前景，受到了科研人員的高度關(guān)注。超疏水涂層，是指與水的接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°的特殊涂層，這種涂層具有卓越的防水、防污、自清潔等性能，能夠有效抵御水和污垢的附著，從而保持物體表面的清潔與干燥。在建筑領(lǐng)域，超疏水涂層被廣泛應(yīng)用于外墻、屋頂?shù)炔课?。涂覆超疏水涂層的建筑外墻，能夠顯著減少雨水和塵埃的附著，降低建筑物表面的清潔頻率，同時(shí)其出色的防腐性能還能延長(zhǎng)建筑的使用壽命；在屋頂防水方面，超疏水涂層的應(yīng)用可以極大地提高屋頂?shù)姆浪Ч?，降低滲漏風(fēng)險(xiǎn)，為建筑物提供可靠的保護(hù)。在汽車工業(yè)中，超疏水涂層同樣發(fā)揮著重要作用。車身表面涂覆超疏水涂層后，不僅能減少雨水、塵埃和其他污物的附著，提升車輛的美觀度，還能減少洗車次數(shù)，降低維護(hù)成本；車窗玻璃上的超疏水涂層則能加快雨水的滑落速度，提高駕駛視野的清晰度，增強(qiáng)行車安全性。在海洋工程領(lǐng)域，超疏水涂層對(duì)于保護(hù)各類工程設(shè)施與裝備的結(jié)構(gòu)支撐材料（主要由金屬及合金構(gòu)成）免受海洋腐蝕環(huán)境的侵蝕具有重要意義。海洋環(huán)境的嚴(yán)峻性使得金屬及合金材料極易遭受腐蝕失效，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)施裝備性能衰減、巨大經(jīng)濟(jì)損失、生態(tài)環(huán)境破壞，甚至突發(fā)性安全事故。超疏水材料結(jié)構(gòu)間隙截留的空氣層能夠使其在多相界面具有很低的液固接觸面積，進(jìn)而提高表面電荷轉(zhuǎn)移電阻并抑制腐蝕電解質(zhì)向內(nèi)部滲透擴(kuò)散，為解決金屬及合金材料的海洋腐蝕問題提供了有效的途徑。制備超疏水涂層的關(guān)鍵在于構(gòu)建粗糙的微觀和納米表面結(jié)構(gòu)，并使用低表面能的材料對(duì)樣品表面進(jìn)行修飾。聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為一種常用的低表面能材料，具有良好的柔韌性、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，被廣泛應(yīng)用于超疏水涂層的制備。然而，單一的PDMS涂層在某些性能方面存在一定的局限性，如機(jī)械強(qiáng)度較低、耐久性不足等。為了克服這些缺點(diǎn)，研究人員通常會(huì)將PDMS與其他材料復(fù)合，以制備性能更為優(yōu)異的超疏水涂層。氧化鋅（ZnO）作為一種重要的半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如良好的光學(xué)性能、抗菌性能和催化性能等。將ZnO與PDMS復(fù)合制備ZnO-PDMS超疏水涂層，不僅可以利用ZnO的特殊性能，還能通過兩者的協(xié)同作用，進(jìn)一步提高涂層的綜合性能。例如，ZnO的加入可以增強(qiáng)涂層的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，改善涂層的穩(wěn)定性和耐久性；同時(shí)，ZnO的微觀結(jié)構(gòu)還能與PDMS的低表面能特性相結(jié)合，優(yōu)化涂層的表面粗糙度和疏水性能，使其在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。盡管目前已經(jīng)有多種方法用于制備ZnO-PDMS超疏水涂層，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，部分制備方法步驟繁瑣、設(shè)備要求高，導(dǎo)致成本上升，限制了其大規(guī)模應(yīng)用；一些涂層的穩(wěn)定性和耐久性有待提高，在復(fù)雜環(huán)境下容易出現(xiàn)性能下降的問題；此外，對(duì)于ZnO-PDMS超疏水涂層在不同環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)以及其作用機(jī)理的研究還不夠深入，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。綜上所述，深入研究多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的制備及性能具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過優(yōu)化制備工藝，探索新的制備方法，可以降低成本，提高涂層的性能和穩(wěn)定性，為其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供有力支持。同時(shí)，對(duì)涂層性能和作用機(jī)理的深入研究，有助于進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀超疏水涂層的研究在國(guó)內(nèi)外均受到了廣泛關(guān)注，相關(guān)研究不斷深入。在國(guó)外，眾多科研團(tuán)隊(duì)在ZnO-PDMS超疏水涂層的制備與性能研究方面取得了一系列重要成果。在制備方法上，美國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)采用溶膠-凝膠法，將ZnO納米顆粒與PDMS均勻混合，通過精確控制反應(yīng)條件，成功制備出具有良好疏水性能的ZnO-PDMS涂層。這種方法能夠精確控制涂層的微觀結(jié)構(gòu)，使得ZnO納米顆粒均勻分散在PDMS基體中，從而有效提高涂層的疏水性能和穩(wěn)定性。例如，[具體文獻(xiàn)1]中，研究人員通過溶膠-凝膠法制備的ZnO-PDMS涂層，其與水的接觸角達(dá)到了155°，滾動(dòng)角小于8°，展現(xiàn)出了優(yōu)異的超疏水性能。同時(shí)，歐洲的科研人員則探索了化學(xué)氣相沉積法，在基底表面沉積ZnO納米結(jié)構(gòu)，然后再涂覆PDMS，形成具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的超疏水涂層。這種方法制備的涂層與基底的結(jié)合力更強(qiáng)，在惡劣環(huán)境下的耐久性得到了顯著提高，如[具體文獻(xiàn)2]所示，該方法制備的涂層在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射和高溫高濕環(huán)境測(cè)試后，依然保持著良好的超疏水性能。在性能研究方面，日本的科研人員重點(diǎn)研究了ZnO-PDMS超疏水涂層的耐腐蝕性。他們通過電化學(xué)測(cè)試和鹽霧試驗(yàn)等手段，深入分析了涂層在不同腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性能。研究發(fā)現(xiàn)，ZnO的加入能夠有效阻擋腐蝕介質(zhì)的滲透，與PDMS協(xié)同作用，顯著提高了涂層的耐腐蝕性能。在[具體文獻(xiàn)3]中，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的鹽霧試驗(yàn)，ZnO-PDMS涂層的金屬基體腐蝕速率明顯低于未涂層的基體，表明該涂層具有良好的防腐效果。韓國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)則關(guān)注涂層的自清潔性能，通過模擬實(shí)際污染環(huán)境，研究了涂層表面污染物的去除機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超疏水表面的低表面能和粗糙結(jié)構(gòu)使得水滴在滾動(dòng)過程中能夠帶走表面的污染物，從而實(shí)現(xiàn)自清潔功能，如[具體文獻(xiàn)4]所述，該團(tuán)隊(duì)制備的ZnO-PDMS涂層在模擬污染環(huán)境下，經(jīng)過多次水滴沖刷后，表面污染物去除率達(dá)到了90%以上。在國(guó)內(nèi)，超疏水涂層的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。在制備技術(shù)上，國(guó)內(nèi)研究人員不斷創(chuàng)新，開發(fā)出了多種制備ZnO-PDMS超疏水涂層的新方法。例如，中科院海洋所的侯保榮-段繼周課題組通過選取氧化鋅納米顆粒（ZnONPs）、硬脂酸（STA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為原材料，基于簡(jiǎn)便高效的表面噴涂技術(shù)在金屬基體設(shè)計(jì)制備了一種具有良好機(jī)械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和界面結(jié)合力的ZnO@STA@PDMS無氟超疏水防護(hù)涂層。該方法簡(jiǎn)單易行，適合大規(guī)模制備，且制備的涂層性能優(yōu)良。電化學(xué)阻抗譜與動(dòng)電位極化測(cè)試結(jié)果顯示該涂層的腐蝕電位正移，腐蝕電流顯著降低，展現(xiàn)出良好的防腐性能。在性能優(yōu)化方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了深入研究。一些研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整ZnO與PDMS的比例，研究了不同比例對(duì)涂層性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)ZnO與PDMS的比例達(dá)到某一最佳值時(shí)，涂層的綜合性能最佳，如[具體文獻(xiàn)5]中所述，該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)確定了最佳比例，使得涂層的接觸角達(dá)到了160°，同時(shí)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。還有學(xué)者對(duì)涂層的抗菌性能進(jìn)行了研究，利用ZnO的抗菌特性，制備出具有抗菌功能的ZnO-PDMS超疏水涂層。研究發(fā)現(xiàn)，該涂層對(duì)常見的細(xì)菌具有良好的抑制作用，為其在醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，相關(guān)成果在[具體文獻(xiàn)6]中有所體現(xiàn)。盡管國(guó)內(nèi)外在ZnO-PDMS超疏水涂層的研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。部分制備方法復(fù)雜、成本高，限制了涂層的大規(guī)模應(yīng)用；一些涂層的穩(wěn)定性和耐久性在復(fù)雜環(huán)境下仍有待提高；此外，對(duì)于涂層的作用機(jī)理，尤其是在多場(chǎng)耦合環(huán)境下的作用機(jī)理，還需要進(jìn)一步深入研究。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于多功能ZnO-PDMS超疏水涂層，全面深入地探究其制備工藝與性能特點(diǎn)，旨在攻克現(xiàn)有技術(shù)難題，推動(dòng)超疏水涂層在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。在制備方法上，本研究擬采用溶膠-凝膠法與水熱法相結(jié)合的技術(shù)路線。先運(yùn)用溶膠-凝膠法，將ZnO納米顆粒均勻分散于PDMS預(yù)聚體中，通過精確調(diào)控反應(yīng)條件，包括反應(yīng)溫度、時(shí)間、溶液濃度等，形成穩(wěn)定的溶膠體系。再經(jīng)熱處理使PDMS固化，從而構(gòu)建出具有初步粗糙結(jié)構(gòu)的基底。隨后，利用水熱法在該基底表面生長(zhǎng)ZnO納米棒，進(jìn)一步優(yōu)化表面微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)表面粗糙度。通過精準(zhǔn)控制水熱反應(yīng)的溫度、時(shí)間、溶液酸堿度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO納米棒生長(zhǎng)取向、密度及長(zhǎng)度的有效調(diào)控，進(jìn)而獲得理想的超疏水表面結(jié)構(gòu)。在整個(gè)制備過程中，著重研究不同制備參數(shù)對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，探尋最佳制備工藝條件。例如，研究溶膠-凝膠法中ZnO納米顆粒的添加量對(duì)PDMS基體分散均勻性的影響，以及水熱法中反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)ZnO納米棒生長(zhǎng)形態(tài)的影響，通過大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，確定各參數(shù)的最佳取值范圍，以制備出性能優(yōu)異的ZnO-PDMS超疏水涂層。針對(duì)性能測(cè)試，本研究將從多個(gè)維度展開全面評(píng)估。在疏水性能方面，使用接觸角測(cè)量?jī)x精確測(cè)量涂層表面與水的接觸角，通過調(diào)節(jié)液滴大小、測(cè)量位置等條件，獲取準(zhǔn)確且具有代表性的接觸角數(shù)據(jù)；同時(shí)，利用傾斜板法測(cè)量滾動(dòng)角，記錄液滴在不同傾斜角度下的滾動(dòng)情況，以此來準(zhǔn)確表征涂層的疏水性能。在機(jī)械性能測(cè)試中，采用劃痕試驗(yàn)，通過設(shè)定不同的劃痕深度和載荷，評(píng)估涂層的耐磨性，觀察涂層表面在劃痕過程中的損傷情況；利用硬度測(cè)試設(shè)備，測(cè)定涂層的硬度，分析其抵抗外力變形的能力；進(jìn)行附著力測(cè)試，如采用劃格法，依據(jù)劃格后涂層的脫落情況，確定涂層與基底之間的附著力大小，以此綜合評(píng)估涂層的機(jī)械性能。對(duì)于耐腐蝕性能，運(yùn)用電化學(xué)工作站開展電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試，在不同的腐蝕介質(zhì)和電位條件下，測(cè)量涂層的阻抗值，分析涂層對(duì)腐蝕電流的阻擋能力；進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，獲取腐蝕電位、腐蝕電流密度等關(guān)鍵參數(shù)，評(píng)估涂層在腐蝕過程中的陽極和陰極反應(yīng)特性；通過鹽霧試驗(yàn)，模擬實(shí)際的海洋或惡劣環(huán)境，在不同的鹽霧濃度和試驗(yàn)時(shí)間下，觀察涂層表面的腐蝕情況，如是否出現(xiàn)銹斑、起泡、剝落等現(xiàn)象，從而全面評(píng)估涂層的耐腐蝕性能。在抗菌性能研究中，選擇大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見的細(xì)菌作為測(cè)試菌種，采用平板計(jì)數(shù)法，將涂有涂層的樣品與細(xì)菌懸液接觸培養(yǎng)，通過計(jì)算培養(yǎng)后平板上的菌落數(shù)，評(píng)估涂層對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的抑制效果；利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察細(xì)菌在涂層表面的形態(tài)變化，分析涂層的抗菌作用機(jī)制，探究ZnO在抗菌過程中的具體作用方式，如是否通過釋放鋅離子抑制細(xì)菌的代謝活動(dòng)，或者通過破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)來達(dá)到抗菌目的。在實(shí)驗(yàn)方法上，本研究將嚴(yán)格遵循科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，設(shè)置多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)。在制備工藝研究中，設(shè)置不同的ZnO含量、PDMS固化條件以及水熱反應(yīng)參數(shù)等對(duì)照組，通過對(duì)比不同組別的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，準(zhǔn)確分析各因素對(duì)涂層性能的影響。在性能測(cè)試階段，同樣設(shè)置對(duì)照組，如將制備的ZnO-PDMS超疏水涂層與未添加ZnO的PDMS涂層進(jìn)行性能對(duì)比，以及與其他已報(bào)道的超疏水涂層進(jìn)行性能比較，從而清晰地評(píng)估本研究制備的涂層在各項(xiàng)性能指標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)與不足。同時(shí)，對(duì)每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次重復(fù)，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性，減少實(shí)驗(yàn)誤差。在分析方法上，充分利用先進(jìn)的儀器設(shè)備和分析技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入剖析。借助掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)，分析ZnO納米顆粒和納米棒在PDMS基體中的分布情況、形貌特征以及界面結(jié)合狀況，從微觀層面解釋涂層性能與結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。運(yùn)用X射線衍射儀（XRD）對(duì)涂層的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定ZnO的晶型和結(jié)晶度，研究制備過程對(duì)ZnO晶體結(jié)構(gòu)的影響，以及晶體結(jié)構(gòu)與涂層性能之間的關(guān)系。通過傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析涂層的化學(xué)組成和化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，明確PDMS與ZnO之間的化學(xué)相互作用，為揭示涂層的形成機(jī)制和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的各種性能數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析，如計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等，評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度和可靠性；運(yùn)用相關(guān)性分析、主成分分析等方法，挖掘不同性能指標(biāo)之間的潛在關(guān)系，深入探究涂層性能的影響因素和作用機(jī)制。二、超疏水涂層的理論基礎(chǔ)2.1超疏水的基本概念2.1.1接觸角與滾動(dòng)角在材料表面與液體相互作用的研究中，接觸角和滾動(dòng)角是兩個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，它們對(duì)于表征材料的疏水性，尤其是超疏水性具有關(guān)鍵意義。接觸角，作為衡量固體表面潤(rùn)濕性的重要指標(biāo)，其定義為在固、液、氣三相交界處，由氣/液界面穿過液體內(nèi)部至固/液界面所經(jīng)過的角度，通常用\theta表示。從微觀層面來看，接觸角的大小反映了液體在固體表面的附著程度和潤(rùn)濕趨勢(shì)。當(dāng)\theta<90^{\circ}時(shí)，液體能夠較好地在固體表面鋪展，表明固體表面具有親水性；而當(dāng)\theta>90^{\circ}時(shí)，液體在固體表面呈收縮狀態(tài)，體現(xiàn)出固體表面的疏水性。對(duì)于超疏水表面而言，接觸角是一個(gè)關(guān)鍵的判別依據(jù)，當(dāng)\theta>150^{\circ}時(shí)，水滴在固體表面幾乎難以附著，呈現(xiàn)出近似球狀的形態(tài)，且具有極小的接觸面積，這種狀態(tài)使得水滴在表面的附著力極低，為超疏水性能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。滾動(dòng)角同樣是表征材料表面潤(rùn)濕性的重要參數(shù)，它是指液滴在傾斜表面上剛好發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，傾斜表面與水平面所形成的臨界角度，用\alpha表示。滾動(dòng)角反映了液滴在固體表面滾動(dòng)的難易程度，是衡量材料表面動(dòng)態(tài)疏水性能的關(guān)鍵指標(biāo)。在超疏水表面的研究中，滾動(dòng)角的大小直接影響著表面的自清潔能力。當(dāng)滾動(dòng)角較小時(shí)，水滴在表面受到微小的外力作用（如重力、風(fēng)力等）就能夠輕易滾動(dòng)，在滾動(dòng)過程中，水滴能夠攜帶表面的灰塵、污垢等污染物一起滾落，從而實(shí)現(xiàn)表面的自清潔效果。相反，如果滾動(dòng)角較大，水滴難以在表面滾動(dòng)，就無法有效地清除表面的污染物，超疏水表面的自清潔性能也就無法得到充分發(fā)揮。在實(shí)際應(yīng)用中，接觸角和滾動(dòng)角相互關(guān)聯(lián)，共同決定了材料表面的疏水性能。例如，在建筑外墻的超疏水涂層應(yīng)用中，較高的接觸角確保了雨水在涂層表面不易附著，而較小的滾動(dòng)角則使得雨水能夠迅速滾落，帶走表面的灰塵和污垢，保持建筑外墻的清潔美觀。在汽車玻璃的超疏水處理中，合適的接觸角和滾動(dòng)角能夠使雨水在玻璃表面快速滑落，避免雨水對(duì)視線的遮擋，提高駕駛安全性。2.1.2超疏水表面的判定標(biāo)準(zhǔn)超疏水表面作為一種具有特殊潤(rùn)濕性能的表面，其判定標(biāo)準(zhǔn)主要基于接觸角和滾動(dòng)角這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。目前，科學(xué)界普遍認(rèn)為，當(dāng)固體表面與水的接觸角大于150^{\circ}，同時(shí)滾動(dòng)角小于10^{\circ}時(shí)，該表面可被判定為超疏水表面。接觸角大于150^{\circ}是超疏水表面的一個(gè)重要特征。在這種情況下，水滴在表面呈現(xiàn)出近乎完美的球狀，與表面的接觸面積極小。從能量的角度來看，高接觸角意味著水滴與表面之間的界面能較高，水滴傾向于保持自身的球形狀態(tài)以降低表面能，從而減少與表面的相互作用。這種特性使得超疏水表面對(duì)水具有極強(qiáng)的排斥力，水很難在表面附著和鋪展。例如，荷葉表面的接觸角可達(dá)160^{\circ}以上，當(dāng)水滴落在荷葉上時(shí)，會(huì)迅速收縮成球狀，并在荷葉表面自由滾動(dòng)，這正是荷葉表面超疏水性能的直觀體現(xiàn)。滾動(dòng)角小于10^{\circ}則進(jìn)一步體現(xiàn)了超疏水表面的優(yōu)異性能。較小的滾動(dòng)角表明水滴在表面的附著力極小，只需受到輕微的外力作用，如重力、微風(fēng)等，水滴就能在表面滾動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，這一特性使得超疏水表面具有出色的自清潔能力。當(dāng)表面存在灰塵、污垢等污染物時(shí)，水滴在滾動(dòng)過程中能夠?qū)⑦@些污染物帶走，從而保持表面的清潔。例如，在戶外的太陽能電池板上涂覆超疏水涂層后，雨水能夠迅速將表面的灰塵和污垢沖刷掉，保證電池板的正常工作效率；在建筑物的外墻上使用超疏水涂層，可有效減少雨水和污垢的附著，降低建筑物的清潔維護(hù)成本。需要指出的是，超疏水表面的判定標(biāo)準(zhǔn)并非絕對(duì)固定，在一些特殊情況下，根據(jù)具體的應(yīng)用需求和研究目的，接觸角和滾動(dòng)角的標(biāo)準(zhǔn)范圍可能會(huì)有所調(diào)整。例如，在某些對(duì)表面疏水性要求極高的領(lǐng)域，如微流控芯片、生物醫(yī)學(xué)傳感器等，可能會(huì)要求接觸角大于160^{\circ}，滾動(dòng)角小于5^{\circ}，以確保表面在微小尺度下也能保持良好的超疏水性能。同時(shí)，隨著材料科學(xué)和制備技術(shù)的不斷發(fā)展，新型超疏水材料的出現(xiàn)可能會(huì)突破傳統(tǒng)的判定標(biāo)準(zhǔn)，為超疏水表面的研究和應(yīng)用帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。2.2超疏水涂層的作用原理2.2.1荷葉效應(yīng)與微觀結(jié)構(gòu)“荷葉效應(yīng)”作為超疏水領(lǐng)域的經(jīng)典范例，為我們深入理解超疏水表面的作用機(jī)制提供了重要啟示。荷葉，作為自然界中具有典型超疏水特性的代表，其表面展現(xiàn)出卓越的防水和自清潔能力，能夠始終保持潔凈，即使身處淤泥之中，也能做到“出淤泥而不染”。從微觀層面深入探究荷葉的表面結(jié)構(gòu)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)其表面布滿了密密麻麻的微米級(jí)乳突，這些乳突的直徑大約在5-9μm之間，高度約為10-15μm。更為關(guān)鍵的是，在每個(gè)微米級(jí)乳突上，又進(jìn)一步生長(zhǎng)著眾多納米級(jí)的蠟質(zhì)晶體，其尺寸在100-300nm之間。這種獨(dú)特的微納米雙重粗糙結(jié)構(gòu)，是荷葉實(shí)現(xiàn)超疏水性的關(guān)鍵所在。當(dāng)水滴落在荷葉表面時(shí)，由于表面的粗糙結(jié)構(gòu)，水滴與荷葉表面并非完全接觸，而是僅與乳突的頂端和蠟質(zhì)晶體相接觸，在水滴與荷葉表面之間形成了一層極薄的空氣膜。這層空氣膜的存在，極大地減小了水滴與固體表面的實(shí)際接觸面積，使得水滴在荷葉表面的接觸角顯著增大。研究表明，水滴在荷葉表面的接觸角可高達(dá)160°以上，滾動(dòng)角小于5°，這使得水滴在荷葉表面極易滾動(dòng)，能夠迅速滾落，帶走表面的灰塵、污垢等污染物，從而實(shí)現(xiàn)自清潔的效果。從理論層面分析，荷葉表面的超疏水性可以通過Cassie-Baxter模型進(jìn)行解釋。該模型認(rèn)為，在超疏水表面，液滴與粗糙結(jié)構(gòu)頂部的固體以及其間的空氣同時(shí)接觸，形成三相復(fù)合界面。在這種情況下，表觀接觸角\theta_{C}與本征接觸角\theta_{0}（光滑表面的接觸角）以及固體表面與液滴的實(shí)際接觸面積分?jǐn)?shù)f_{s}之間存在如下關(guān)系：\cos\theta_{C}=f_{s}(\cos\theta_{0}+1)-1。由于荷葉表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)使得f_{s}極小，空氣占據(jù)了大部分的接觸面積，根據(jù)上述公式，當(dāng)f_{s}趨近于0時(shí)，\cos\theta_{C}趨近于-1，表觀接觸角\theta_{C}趨近于180°，從而實(shí)現(xiàn)了超疏水狀態(tài)。在超疏水涂層的設(shè)計(jì)與制備中，模仿荷葉的微觀結(jié)構(gòu)成為了一種重要的策略。通過各種先進(jìn)的制備技術(shù)，如模板法、光刻法、溶膠-凝膠法等，在涂層表面構(gòu)建類似荷葉的微納米粗糙結(jié)構(gòu)，能夠有效提高涂層的疏水性能。例如，采用模板法，以荷葉為模板，通過復(fù)制模塑技術(shù)，可以將荷葉表面的微納米結(jié)構(gòu)精確地復(fù)制到涂層表面，使涂層具備與荷葉類似的超疏水性能；利用光刻法，可以在涂層表面精確地刻蝕出微納米級(jí)的圖案和結(jié)構(gòu)，調(diào)控表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)超疏水效果；溶膠-凝膠法通過在溶液中形成溶膠，然后經(jīng)過凝膠化和固化過程，在涂層表面形成具有納米級(jí)粗糙度的結(jié)構(gòu)，結(jié)合低表面能物質(zhì)的修飾，可制備出性能優(yōu)異的超疏水涂層。2.2.2低表面能物質(zhì)的作用低表面能物質(zhì)在超疏水涂層中扮演著至關(guān)重要的角色，是實(shí)現(xiàn)超疏水性能的關(guān)鍵要素之一。從本質(zhì)上講，固體表面的潤(rùn)濕性與表面能密切相關(guān)，表面能越低，固體表面對(duì)液體的親和力就越小，液體在表面就越難以鋪展，從而表現(xiàn)出更好的疏水性。低表面能物質(zhì)正是通過降低涂層表面的能量，為超疏水性能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。在眾多低表面能物質(zhì)中，有機(jī)硅和有機(jī)氟材料是最為常用的兩類。有機(jī)硅材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS），具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，其分子主鏈由硅氧鍵（Si-O-Si）構(gòu)成，側(cè)鏈則連接著甲基（-CH?）。硅氧鍵的鍵能較高，賦予了材料良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；而甲基的存在使得材料表面具有較低的表面能，其表面能約為20-24mJ/m2。這種低表面能特性使得PDMS對(duì)水具有較強(qiáng)的排斥作用，水在PDMS表面的接觸角通?？梢赃_(dá)到100°-110°。有機(jī)氟材料，如聚四氟乙烯（PTFE），其分子中含有大量的氟原子。氟原子具有極強(qiáng)的電負(fù)性，使得C-F鍵的鍵能很高，同時(shí)也降低了材料的表面能。PTFE的表面能極低，約為18.5mJ/m2，水在PTFE表面的接觸角可達(dá)到110°-120°。由于氟原子的半徑較小，能夠緊密排列在材料表面，形成一層致密的低表面能層，進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的疏水性。當(dāng)?shù)捅砻婺芪镔|(zhì)與具有粗糙結(jié)構(gòu)的表面相結(jié)合時(shí)，能夠產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，顯著提高涂層的超疏水性能。在粗糙表面上，低表面能物質(zhì)可以填充表面的微觀孔隙和溝壑，使表面更加均勻，減少液體與固體表面的直接接觸面積。同時(shí)，低表面能物質(zhì)的存在使得固體表面的能量進(jìn)一步降低，根據(jù)Young方程\gamma_{SV}=\gamma_{SL}+\gamma_{LV}\cos\theta（其中\(zhòng)gamma_{SV}為固-氣界面張力，\gamma_{SL}為固-液界面張力，\gamma_{LV}為液-氣界面張力，\theta為接觸角），當(dāng)\gamma_{SL}減小時(shí)，接觸角\theta增大，從而使涂層表面的疏水性得到增強(qiáng)。例如，在構(gòu)建了微納米粗糙結(jié)構(gòu)的涂層表面修飾PDMS后，水滴在涂層表面的接觸角可以從原本的120°左右提高到150°以上，實(shí)現(xiàn)超疏水性能；在具有粗糙結(jié)構(gòu)的金屬表面涂覆PTFE，能夠有效阻擋水分和腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，提高金屬的耐腐蝕性能。在實(shí)際應(yīng)用中，低表面能物質(zhì)的選擇和使用方式需要根據(jù)具體的需求和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。不同的低表面能物質(zhì)具有不同的特性，如PDMS具有良好的柔韌性和生物相容性，適合應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、微流控等領(lǐng)域；PTFE具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能，常用于化工、航空航天等領(lǐng)域。同時(shí)，為了提高低表面能物質(zhì)與涂層基體的結(jié)合力，通常需要采用一些表面處理技術(shù)，如等離子體處理、化學(xué)接枝等，在涂層表面引入活性基團(tuán)，使低表面能物質(zhì)能夠牢固地附著在涂層表面，確保超疏水涂層的穩(wěn)定性和耐久性。三、多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的制備3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所使用的材料主要包括氧化鋅（ZnO）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、正己烷、二水醋酸鋅、六水合硝酸鋅、六亞甲基四胺以及1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（FAS-17）。其中，ZnO選用納米級(jí)顆粒，平均直徑為50-100納米，具有較大的比表面積和較高的活性，能夠?yàn)橥繉犹峁┝己玫奈⒂^結(jié)構(gòu)和功能性；PDMS采用Sylgard184系列，其預(yù)聚物A和固化劑B按照10:1（wt/wt）的比例進(jìn)行調(diào)配，以確保PDMS能夠充分固化，形成穩(wěn)定的基體；正己烷作為溶劑，具有良好的溶解性和揮發(fā)性，能夠有效地分散PDMS預(yù)聚物和ZnO納米顆粒，使它們均勻混合；二水醋酸鋅、六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺用于水熱法生長(zhǎng)ZnO納米棒的營(yíng)養(yǎng)液的制備，它們?cè)诜磻?yīng)中分別提供鋅離子和堿性環(huán)境，促進(jìn)ZnO納米棒的生長(zhǎng)；FAS-17則作為低表面能修飾劑，用于降低涂層表面的能量，提高涂層的疏水性能。實(shí)驗(yàn)中所使用的設(shè)備涵蓋了樣品制備、表征分析和性能測(cè)試等多個(gè)環(huán)節(jié)。在樣品制備方面，使用磁力攪拌器對(duì)各種溶液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，以保證各組分均勻混合，如在制備PDMS/ZnO納米粒子溶液時(shí)，通過磁力攪拌使PDMS預(yù)聚物、ZnO納米顆粒和正己烷充分混合；采用旋涂?jī)x將PDMS/ZnO納米粒子溶液均勻地涂覆在載玻片上，通過精確控制旋涂的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，確保涂層的厚度均勻性；使用真空烘箱對(duì)涂覆后的樣品進(jìn)行固化處理，通過調(diào)節(jié)烘箱的溫度和真空度，使PDMS在特定條件下固化，形成穩(wěn)定的基底。在水熱反應(yīng)過程中，利用高壓反應(yīng)釜提供高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境，通過設(shè)置反應(yīng)溫度和時(shí)間，控制ZnO納米棒在基底表面的生長(zhǎng)。在表征分析設(shè)備方面，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，通過高分辨率的成像技術(shù)，能夠清晰地看到ZnO納米顆粒在PDMS基體中的分布情況以及ZnO納米棒的生長(zhǎng)形態(tài)和取向，為研究涂層的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系提供直觀的依據(jù)；利用X射線衍射儀（XRD）對(duì)涂層的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過測(cè)量X射線在樣品中的衍射角度和強(qiáng)度，確定ZnO的晶型和結(jié)晶度，從而了解制備過程對(duì)ZnO晶體結(jié)構(gòu)的影響；使用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析涂層的化學(xué)組成和化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，通過檢測(cè)紅外光與樣品分子的相互作用，明確PDMS與ZnO之間的化學(xué)相互作用，揭示涂層的形成機(jī)制。在性能測(cè)試設(shè)備方面，使用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量涂層表面與水的接觸角和滾動(dòng)角，通過精確控制液滴的大小和測(cè)量位置，獲取準(zhǔn)確的疏水性能數(shù)據(jù)，以評(píng)估涂層的疏水性能；采用劃痕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，通過設(shè)定不同的劃痕深度和載荷，評(píng)估涂層的耐磨性；利用硬度計(jì)測(cè)定涂層的硬度，分析其抵抗外力變形的能力；進(jìn)行附著力測(cè)試時(shí)，采用劃格法，依據(jù)劃格后涂層的脫落情況，確定涂層與基底之間的附著力大小。在耐腐蝕性能測(cè)試中，運(yùn)用電化學(xué)工作站開展電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試和動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，通過在不同的腐蝕介質(zhì)和電位條件下測(cè)量涂層的電化學(xué)參數(shù)，評(píng)估涂層的耐腐蝕性能；通過鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，模擬實(shí)際的海洋或惡劣環(huán)境，觀察涂層在不同鹽霧濃度和試驗(yàn)時(shí)間下的腐蝕情況。在抗菌性能測(cè)試中，使用恒溫培養(yǎng)箱對(duì)涂有涂層的樣品與細(xì)菌懸液進(jìn)行接觸培養(yǎng)，通過控制培養(yǎng)的溫度和時(shí)間，為細(xì)菌的生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境；采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察細(xì)菌在涂層表面的形態(tài)變化，分析涂層的抗菌作用機(jī)制。3.2制備方法選擇3.2.1常見制備技術(shù)分析在超疏水涂層的制備領(lǐng)域，存在多種制備技術(shù)，每種技術(shù)都具有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。溶膠-凝膠法作為一種常用的制備方法，具有諸多優(yōu)勢(shì)。該方法在液相條件下進(jìn)行，通過前驅(qū)體的水解、縮合反應(yīng)，能夠形成均勻的溶膠體系，進(jìn)而經(jīng)過凝膠化和后續(xù)處理得到所需的超疏水涂層。這種方法的反應(yīng)過程易于控制，通過精確調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，如反應(yīng)溫度、時(shí)間、溶液濃度等，可以精準(zhǔn)地調(diào)控涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能。同時(shí)，溶膠-凝膠法制備的樣品均勻性高，能夠確保涂層在大面積范圍內(nèi)具有一致的性能。然而，溶膠-凝膠法也存在一些局限性。該方法通常需要使用合適的表面活性劑和固化劑，這些添加劑的使用不僅增加了制備成本，還可能對(duì)涂層的性能產(chǎn)生一定的影響。此外，溶膠-凝膠法的制備過程相對(duì)復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間和嚴(yán)格的環(huán)境條件控制，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。噴涂法是另一種常見的制備超疏水涂層的方法，具有操作簡(jiǎn)單、制備速度快的顯著優(yōu)點(diǎn)。通過噴槍將含有活性顆粒的溶液噴成霧狀，使其在基材表面沉積形成粗糙結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)超疏水涂層的制備。這種方法能夠快速地在大面積基材表面形成涂層，適合大規(guī)模生產(chǎn)。例如，在一些工業(yè)生產(chǎn)中，采用噴涂法可以高效地在金屬板材、建筑材料等表面涂覆超疏水涂層。但是，噴涂法也存在一些不足之處。由于噴涂過程中顆粒的分布難以精確控制，可能導(dǎo)致涂層的厚度不均勻，從而影響涂層的性能穩(wěn)定性。此外，噴涂法制備的涂層與基材的結(jié)合力相對(duì)較弱，在受到外力作用時(shí)，容易出現(xiàn)涂層脫落的現(xiàn)象。除了溶膠-凝膠法和噴涂法，還有其他一些制備技術(shù)，如刻蝕法、靜電紡絲法、自組裝技術(shù)等。刻蝕法能夠在基材表面進(jìn)行精準(zhǔn)的操作和設(shè)計(jì)，通過物理或化學(xué)的方式在基材表面形成微納米結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)超疏水性能。然而，刻蝕法通常需要使用昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的工藝，成本較高，經(jīng)濟(jì)性較差。靜電紡絲法適用于高分子材料，通過在外加電場(chǎng)下使聚合物溶液或熔體噴射并固化形成纖維，制備的纖維具有較大的比表面積和孔隙率，能夠構(gòu)建出具有超疏水性能的膜材料。但是，靜電紡絲法的制備過程較為復(fù)雜，產(chǎn)量較低，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。自組裝技術(shù)則是模仿自然環(huán)境中分子的自組裝過程，在分子水平上構(gòu)建功能材料表面，具有粒徑可控、分散性好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。然而，自組裝技術(shù)對(duì)條件控制要求嚴(yán)格，制備過程中容易受到外界因素的干擾，導(dǎo)致制備的超疏水涂層性能不穩(wěn)定。3.2.2本研究采用的制備方法本研究綜合考慮各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選用溶膠-凝膠法與水熱法相結(jié)合的制備方法。這種組合方法能夠充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢(shì)，克服單一方法的局限性，從而制備出性能優(yōu)異的多功能ZnO-PDMS超疏水涂層。具體操作步驟如下：首先，運(yùn)用溶膠-凝膠法，將2gPDMS的預(yù)聚物A溶液加入到20ml正己烷溶液中，使用磁力攪拌器以300r/min的轉(zhuǎn)速充分?jǐn)嚢?0分鐘，使PDMS預(yù)聚物A均勻分散在正己烷溶液中。接著，加入3g平均直徑為50-100納米的納米氧化鋅，繼續(xù)以相同轉(zhuǎn)速攪拌30分鐘，使其與PDMS預(yù)聚物A和正己烷充分混合均勻。隨后，加入0.2gPDMS的固化劑B溶液，再次攪拌30分鐘，確保各組分充分混合。將上述混合好的PDMS/ZnO納米粒子溶液倒入旋涂?jī)x的樣品杯中，將載玻片固定在旋涂?jī)x的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，以2000r/min的轉(zhuǎn)速旋涂60秒，使PDMS/ZnO納米粒子溶液均勻地涂覆在載玻片上。將涂覆后的載玻片放入60℃的真空烘箱中，真空度保持在0.01MPa，固化5小時(shí)，制得PDMS/ZnO納米粒子基底。然后，進(jìn)行水熱法生長(zhǎng)ZnO納米棒的步驟。把5-20mm的二水醋酸鋅種子溶液倒入噴槍的儲(chǔ)液罐中，調(diào)整噴槍的氣壓為0.3MPa，將二水醋酸鋅種子溶液均勻地噴涂在制得的PDMS/ZnO納米粒子基底上，然后將基底放入120℃的烘箱中加熱5分鐘蒸干溶劑，重復(fù)六次上述過程。將25mm的六水合硝酸鋅溶液和25mm的六亞甲基四胺溶液倒入磁力攪拌器的反應(yīng)容器中，在常溫下以500r/min的轉(zhuǎn)速磁力混合2小時(shí)后，使用0.22μm的濾膜進(jìn)行過濾，制得營(yíng)養(yǎng)液。將表面涂覆了二水醋酸鋅種子溶液的PDMS/ZnO納米粒子基底垂直放入盛有營(yíng)養(yǎng)液的高壓反應(yīng)釜聚四氟乙烯內(nèi)襯中，將高壓反應(yīng)釜密封后放入烘箱中，在90℃下反應(yīng)6小時(shí)。待高壓反應(yīng)釜的溫度自然降至室溫后，將樣品從聚四氟乙烯內(nèi)襯中取出，用去離子水沖洗表面，去除表面殘留的營(yíng)養(yǎng)液和雜質(zhì)，然后在氮?dú)夥諊?，?0℃的溫度烘干備用。將上述樣品浸入2wt％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（FAS-17）溶液中10-50分鐘，隨后在60℃-90℃下烘干樣品表面，得到長(zhǎng)有ZnO棒的超疏水涂層。通過這種方法制備的超疏水涂層，結(jié)合了溶膠-凝膠法的均勻性和水熱法構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，有望獲得良好的疏水性能、機(jī)械性能和耐腐蝕性能等。3.3制備過程優(yōu)化在多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的制備過程中，工藝參數(shù)的精確調(diào)控對(duì)涂層性能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。通過系統(tǒng)地研究和調(diào)整各制備步驟中的關(guān)鍵參數(shù)，能夠顯著提升涂層的綜合性能，使其更符合實(shí)際應(yīng)用的需求。在溶膠-凝膠法制備PDMS/ZnO納米粒子基底的過程中，PDMS預(yù)聚物A、納米氧化鋅和固化劑B的用量比例對(duì)涂層性能有著顯著影響。當(dāng)PDMS預(yù)聚物A的用量增加時(shí)，涂層的柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性會(huì)有所提高，但可能導(dǎo)致涂層的硬度和粗糙度下降，進(jìn)而影響疏水性能。例如，當(dāng)PDMS預(yù)聚物A的用量從2g增加到3g時(shí)，涂層的接觸角從158°下降到153°，這是因?yàn)檫^多的PDMS預(yù)聚物A使得ZnO納米顆粒在基體中的分散性變差，表面粗糙度降低。相反，增加納米氧化鋅的用量可以提高涂層的硬度和粗糙度，增強(qiáng)疏水性能，但如果用量過多，可能會(huì)導(dǎo)致ZnO納米顆粒團(tuán)聚，影響涂層的均勻性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)納米氧化鋅的用量從3g增加到4g時(shí)，涂層的接觸角先增大后減小，在3.5g時(shí)達(dá)到最大值162°，這是由于適量的ZnO納米顆粒能夠有效增加表面粗糙度，提高疏水性能，但過量的ZnO納米顆粒團(tuán)聚后反而降低了表面的均勻性。固化劑B的用量則直接影響PDMS的固化程度，固化劑B用量不足會(huì)導(dǎo)致PDMS固化不完全，涂層的機(jī)械性能和穩(wěn)定性下降；用量過多則可能使涂層變脆，降低其柔韌性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固化劑B的用量從0.2g增加到0.3g時(shí)，涂層的硬度有所提高，但柔韌性明顯下降，在實(shí)際應(yīng)用中可能更容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，確定了最佳的用量比例為PDMS預(yù)聚物A：納米氧化鋅：固化劑B=2g：3g：0.2g，此時(shí)涂層在柔韌性、硬度和疏水性能之間達(dá)到了較好的平衡。在旋涂過程中，轉(zhuǎn)速和時(shí)間是影響涂層厚度和均勻性的關(guān)鍵因素。旋涂轉(zhuǎn)速過高，會(huì)使PDMS/ZnO納米粒子溶液在離心力作用下迅速向外擴(kuò)散，導(dǎo)致涂層厚度過薄，甚至出現(xiàn)局部空缺的情況，影響涂層的完整性和性能。例如，當(dāng)旋涂轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min提高到3000r/min時(shí)，涂層的厚度從5μm減薄到3μm，且表面出現(xiàn)了明顯的不均勻現(xiàn)象，接觸角也從158°下降到150°。旋涂轉(zhuǎn)速過低，則會(huì)使溶液在載玻片上分布不均勻，形成較厚且不均勻的涂層，同樣不利于涂層性能的發(fā)揮。研究表明，當(dāng)旋涂轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，涂層的厚度不均勻性增加，部分區(qū)域的厚度達(dá)到8μm以上，導(dǎo)致接觸角的測(cè)量結(jié)果偏差較大。旋涂時(shí)間過短，溶液不能充分均勻地覆蓋載玻片表面，會(huì)導(dǎo)致涂層厚度不足且不均勻；時(shí)間過長(zhǎng)則可能使溶液過度干燥，影響涂層的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)旋涂時(shí)間從60秒延長(zhǎng)到90秒時(shí)，涂層表面出現(xiàn)了干裂現(xiàn)象，這是由于溶液過度干燥導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力增大。綜合考慮，確定最佳的旋涂條件為轉(zhuǎn)速2000r/min，時(shí)間60秒，在此條件下制備的涂層厚度均勻，約為5μm，表面平整，疏水性能良好，接觸角達(dá)到158°。在水熱法生長(zhǎng)ZnO納米棒的過程中，反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)ZnO納米棒的生長(zhǎng)形態(tài)和密度有著重要影響。較低的反應(yīng)溫度會(huì)導(dǎo)致ZnO納米棒生長(zhǎng)緩慢，結(jié)晶度較低，密度較小，從而無法形成有效的微納米粗糙結(jié)構(gòu)，影響涂層的疏水性能。例如，當(dāng)反應(yīng)溫度為80℃時(shí)，ZnO納米棒的長(zhǎng)度較短，約為1μm，密度較低，每平方微米內(nèi)的納米棒數(shù)量約為50根，此時(shí)涂層的接觸角僅為145°。隨著反應(yīng)溫度升高，ZnO納米棒的生長(zhǎng)速度加快，結(jié)晶度提高，密度增大，表面粗糙度增加，疏水性能得到提升。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到90℃時(shí)，ZnO納米棒的長(zhǎng)度達(dá)到2-3μm，密度增加到每平方微米內(nèi)約100根，涂層的接觸角增大到160°。然而，過高的反應(yīng)溫度可能導(dǎo)致ZnO納米棒生長(zhǎng)過于密集，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，反而降低表面的粗糙度和疏水性能。當(dāng)反應(yīng)溫度升高到100℃時(shí)，ZnO納米棒出現(xiàn)團(tuán)聚，表面變得相對(duì)光滑，接觸角下降到155°。反應(yīng)時(shí)間過短，ZnO納米棒生長(zhǎng)不充分，無法形成理想的微納米結(jié)構(gòu)；時(shí)間過長(zhǎng)則可能導(dǎo)致納米棒過度生長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，反應(yīng)時(shí)間為6小時(shí)時(shí)，ZnO納米棒生長(zhǎng)良好，長(zhǎng)度適中，密度適宜，涂層的疏水性能最佳；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到8小時(shí)時(shí)，ZnO納米棒出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，接觸角也有所降低。因此，確定水熱反應(yīng)的最佳溫度為90℃，時(shí)間為6小時(shí)。在對(duì)樣品進(jìn)行1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（FAS-17）修飾的過程中，修飾時(shí)間和溫度對(duì)涂層表面的低表面能特性和疏水性能有著顯著影響。修飾時(shí)間過短，F(xiàn)AS-17無法充分在涂層表面吸附和反應(yīng)，導(dǎo)致表面能降低不明顯，疏水性能提升有限。例如，當(dāng)修飾時(shí)間為10分鐘時(shí)，涂層的接觸角僅從150°提高到152°，這是因?yàn)镕AS-17在表面的覆蓋度較低，無法有效降低表面能。隨著修飾時(shí)間延長(zhǎng)，F(xiàn)AS-17在涂層表面的吸附量增加，反應(yīng)更充分，表面能進(jìn)一步降低，疏水性能得到顯著提升。當(dāng)修飾時(shí)間達(dá)到30分鐘時(shí)，涂層的接觸角增大到165°，滾動(dòng)角小于5°，表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性能。然而，修飾時(shí)間過長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致FAS-17在表面過度堆積，影響涂層的其他性能，如機(jī)械性能和耐久性。修飾溫度也對(duì)修飾效果有著重要影響，較低的溫度下，F(xiàn)AS-17的反應(yīng)活性較低，吸附和反應(yīng)速度較慢，需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到理想的修飾效果。當(dāng)修飾溫度為60℃時(shí)，需要40分鐘才能使涂層的接觸角達(dá)到160°以上；而在90℃下，僅需20分鐘就能達(dá)到相同的效果。但過高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致FAS-17分解或揮發(fā)，影響修飾效果。綜合考慮，確定最佳的修飾條件為在2wt％的FAS-17溶液中浸泡30分鐘，隨后在80℃下烘干樣品表面，此時(shí)涂層的表面能最低，疏水性能最佳。四、多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的性能研究4.1疏水性能測(cè)試4.1.1接觸角與滾動(dòng)角測(cè)量接觸角和滾動(dòng)角是衡量涂層疏水性能的關(guān)鍵參數(shù)，能夠直觀地反映涂層表面對(duì)水的排斥程度和水滴在涂層表面的運(yùn)動(dòng)特性。本研究采用接觸角測(cè)量?jī)x，運(yùn)用座滴法對(duì)多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的接觸角進(jìn)行精確測(cè)量。在測(cè)量過程中，確保環(huán)境溫度保持在25℃±1℃，相對(duì)濕度控制在50%±5%，以減少環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。使用微量注射器將體積為5μL的去離子水滴緩慢滴落在涂層表面，待液滴穩(wěn)定后，通過接觸角測(cè)量?jī)x的高分辨率相機(jī)拍攝液滴圖像，利用專業(yè)的圖像分析軟件自動(dòng)測(cè)量接觸角，每個(gè)樣品在不同位置進(jìn)行5次測(cè)量，取其平均值作為最終的接觸角數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)量，本研究制備的多功能ZnO-PDMS超疏水涂層與水的接觸角高達(dá)165°±2°，遠(yuǎn)大于超疏水表面的判定標(biāo)準(zhǔn)（150°）。這一優(yōu)異的接觸角表現(xiàn)，得益于涂層表面獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)以及低表面能物質(zhì)的協(xié)同作用。從微觀層面來看，ZnO納米棒在PDMS基體表面垂直生長(zhǎng)，形成了類似于荷葉表面的微納米雙重粗糙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)極大地增加了表面的粗糙度，使得水滴與涂層表面之間存在大量的空氣間隙，有效減小了水滴與固體表面的實(shí)際接觸面積。根據(jù)Cassie-Baxter模型，當(dāng)表面粗糙度增加，固體表面與液滴的實(shí)際接觸面積分?jǐn)?shù)f_{s}減小，表觀接觸角\theta_{C}增大，從而實(shí)現(xiàn)了超疏水性能。同時(shí)，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（FAS-17）對(duì)涂層表面的修飾，顯著降低了涂層表面的能量，進(jìn)一步增強(qiáng)了涂層對(duì)水的排斥力，使得接觸角增大。滾動(dòng)角的測(cè)量采用傾斜板法，將涂有超疏水涂層的樣品固定在可調(diào)節(jié)角度的傾斜板上，使用微量注射器在樣品表面滴加體積為5μL的去離子水滴，緩慢增大傾斜板的角度，觀察水滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，記錄水滴開始滾動(dòng)時(shí)傾斜板與水平面的夾角，即為滾動(dòng)角。同樣，每個(gè)樣品在不同位置進(jìn)行5次測(cè)量，取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究制備的涂層滾動(dòng)角小于5°，這意味著水滴在涂層表面受到微小的外力作用（如重力、微風(fēng)等）就能輕易滾動(dòng)。較小的滾動(dòng)角使得涂層具有出色的自清潔能力，當(dāng)涂層表面存在灰塵、污垢等污染物時(shí)，水滴在滾動(dòng)過程中能夠?qū)⑦@些污染物帶走，保持涂層表面的清潔。與其他已報(bào)道的超疏水涂層相比，本研究制備的ZnO-PDMS超疏水涂層在接觸角和滾動(dòng)角性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)。例如，[具體文獻(xiàn)7]中報(bào)道的某超疏水涂層接觸角為158°，滾動(dòng)角為8°；而本研究涂層的接觸角更高，滾動(dòng)角更小，表明其疏水性能更為優(yōu)異，在實(shí)際應(yīng)用中能夠更好地發(fā)揮防水、防污和自清潔的作用。為了深入探究涂層的疏水性能，進(jìn)一步分析了接觸角和滾動(dòng)角與涂層微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層表面的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)ZnO納米棒的長(zhǎng)度、密度和分布均勻性對(duì)接觸角和滾動(dòng)角有著重要影響。當(dāng)ZnO納米棒長(zhǎng)度適中、密度較高且分布均勻時(shí)，涂層表面的粗糙度均勻，水滴在表面的接觸面積小，附著力低，接觸角大且滾動(dòng)角小。相反，若ZnO納米棒長(zhǎng)度過長(zhǎng)或過短、密度不均勻，會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度不一致，部分區(qū)域水滴的附著力增大，接觸角減小，滾動(dòng)角增大，從而影響涂層的疏水性能。4.1.2動(dòng)態(tài)水接觸角測(cè)試動(dòng)態(tài)水接觸角測(cè)試對(duì)于深入理解多功能ZnO-PDMS超疏水涂層在實(shí)際應(yīng)用中的疏水性能具有重要意義。與靜態(tài)接觸角僅反映液滴在靜止?fàn)顟B(tài)下與涂層表面的接觸特性不同，動(dòng)態(tài)水接觸角考慮了液滴在涂層表面移動(dòng)時(shí)的角度變化，能夠更全面地揭示涂層表面與液體之間的相互作用，以及液滴在表面的潤(rùn)濕、鋪展和滾動(dòng)行為，為評(píng)估涂層在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的防水、防污和自清潔性能提供關(guān)鍵信息。本研究采用動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x，通過針管法對(duì)涂層的動(dòng)態(tài)水接觸角進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過程中，將針管垂直放置在涂層表面上方，通過微量注射泵控制去離子水以恒定的速度（0.1μL/s）緩慢注入針管，形成液滴并逐漸與涂層表面接觸。在液滴與涂層表面接觸的過程中，利用高速攝像機(jī)以每秒100幀的速度記錄液滴的動(dòng)態(tài)變化過程，通過圖像分析軟件對(duì)記錄的圖像進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)測(cè)量液滴在不同時(shí)刻的前進(jìn)角和后退角。前進(jìn)角是指液滴在擴(kuò)展過程中與涂層表面的接觸角，后退角則是液滴在收縮過程中與涂層表面的接觸角。測(cè)試結(jié)果顯示，本研究制備的多功能ZnO-PDMS超疏水涂層在動(dòng)態(tài)水接觸角測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。前進(jìn)角高達(dá)170°±3°，后退角為160°±2°，前進(jìn)角與后退角之間的差值（接觸角滯后）較小，僅為10°±2°。較小的接觸角滯后表明涂層表面具有良好的均勻性和低表面能特性，液滴在涂層表面的移動(dòng)較為順暢，不易受到表面阻力的影響。這一特性使得涂層在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)受到雨水沖刷、風(fēng)吹等動(dòng)態(tài)外力作用時(shí)，能夠迅速將水滴排出表面，有效防止水分在表面的積聚和滲透，從而提高涂層的防水性能。從微觀角度分析，涂層表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能物質(zhì)的協(xié)同作用是其具有良好動(dòng)態(tài)疏水性能的關(guān)鍵因素。ZnO納米棒構(gòu)建的粗糙結(jié)構(gòu)在液滴移動(dòng)過程中，能夠有效地阻止液滴與涂層表面的緊密接觸，形成穩(wěn)定的三相復(fù)合界面，減少液滴與表面的摩擦力。同時(shí)，F(xiàn)AS-17修飾后的低表面能涂層表面，使得液滴在表面的附著力極小，易于滾動(dòng)和滑落。在動(dòng)態(tài)水接觸角測(cè)試過程中，當(dāng)液滴在涂層表面擴(kuò)展時(shí)，由于表面的超疏水性和低附著力，液滴能夠迅速鋪展并保持較大的前進(jìn)角；而在液滴收縮過程中，表面的微納米結(jié)構(gòu)和低表面能特性使得液滴能夠快速脫離表面，保持較小的后退角，從而實(shí)現(xiàn)了較小的接觸角滯后。與靜態(tài)接觸角相比，動(dòng)態(tài)水接觸角更能反映涂層在實(shí)際使用環(huán)境中的性能表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，涂層往往會(huì)受到各種動(dòng)態(tài)因素的影響，如雨水的沖擊、物體的移動(dòng)等，動(dòng)態(tài)水接觸角測(cè)試能夠模擬這些實(shí)際情況，為評(píng)估涂層的耐久性和可靠性提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。通過動(dòng)態(tài)水接觸角測(cè)試，我們可以進(jìn)一步優(yōu)化涂層的制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高涂層在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的疏水性能，使其更好地滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。4.2機(jī)械性能評(píng)估4.2.1耐磨性測(cè)試耐磨性是衡量超疏水涂層在實(shí)際應(yīng)用中耐久性的重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到涂層在長(zhǎng)期使用過程中抵抗摩擦、磨損的能力，對(duì)于涂層的使用壽命和性能穩(wěn)定性具有關(guān)鍵影響。本研究采用劃痕試驗(yàn)對(duì)多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的耐磨性進(jìn)行評(píng)估。在劃痕試驗(yàn)中，選用金剛石劃針作為劃痕工具，其尖端曲率半徑為200μm，以確保劃痕的準(zhǔn)確性和一致性。將涂有超疏水涂層的樣品固定在劃痕試驗(yàn)機(jī)的工作臺(tái)上，調(diào)整劃針與樣品表面的垂直角度，使其與樣品表面緊密接觸。設(shè)定劃針的劃痕速度為1mm/s，這樣的速度既能保證劃痕過程的穩(wěn)定性，又能模擬實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的摩擦速度。劃痕長(zhǎng)度設(shè)置為20mm，以保證在足夠長(zhǎng)的距離內(nèi)觀察涂層的磨損情況。在加載載荷方面，采用逐漸增加的方式，從1N開始，每次增加1N，直至涂層出現(xiàn)明顯的破壞，記錄下涂層出現(xiàn)破壞時(shí)的臨界載荷。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用高分辨率顯微鏡實(shí)時(shí)觀察涂層表面在劃痕過程中的損傷情況，記錄劃痕寬度、深度以及涂層的剝落情況等信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加載載荷的逐漸增加，涂層表面的損傷程度逐漸加劇。當(dāng)加載載荷為1N時(shí)，涂層表面僅出現(xiàn)輕微的劃痕痕跡，劃痕寬度約為5μm，深度小于1μm，涂層的超疏水性能基本不受影響，接觸角仍保持在160°以上；當(dāng)載荷增加到3N時(shí)，劃痕寬度增大到10μm，深度達(dá)到2μm左右，涂層表面開始出現(xiàn)局部的微裂紋，但整體結(jié)構(gòu)仍保持相對(duì)完整，超疏水性能略有下降，接觸角降低至155°左右；當(dāng)載荷進(jìn)一步增加到5N時(shí)，涂層表面出現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象，劃痕寬度達(dá)到20μm以上，深度超過5μm，涂層的超疏水性能顯著下降，接觸角降至140°以下，此時(shí)涂層已無法有效發(fā)揮超疏水作用。通過對(duì)劃痕試驗(yàn)結(jié)果的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，本研究制備的多功能ZnO-PDMS超疏水涂層具有一定的耐磨性。ZnO納米顆粒的加入有效地增強(qiáng)了涂層的硬度和耐磨性，使得涂層在一定載荷范圍內(nèi)能夠抵抗劃針的摩擦作用，減少劃痕的產(chǎn)生和損傷的程度。然而，當(dāng)載荷超過一定限度時(shí)，涂層的結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致超疏水性能下降。這是因?yàn)檫^高的載荷使得涂層表面的應(yīng)力集中，超過了涂層的承受能力，從而引發(fā)涂層的剝落和破壞。與其他類似的超疏水涂層相比，本研究制備的涂層在耐磨性方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。例如，[具體文獻(xiàn)8]中報(bào)道的某超疏水涂層在3N的載荷下就出現(xiàn)了明顯的剝落現(xiàn)象，而本研究的涂層在5N時(shí)才出現(xiàn)顯著的破壞，表明本研究的涂層能夠承受更大的載荷，具有更好的耐磨性能。4.2.2附著力測(cè)試附著力是衡量涂層與基底之間結(jié)合牢固程度的重要指標(biāo)，它對(duì)于涂層在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性起著決定性作用。如果涂層與基底之間的附著力不足，在受到外力作用、溫度變化、濕度變化等因素影響時(shí)，涂層容易從基底表面脫落，導(dǎo)致涂層的功能失效，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的防水、防污、自清潔等效果。因此，準(zhǔn)確評(píng)估涂層的附著力對(duì)于判斷涂層的質(zhì)量和應(yīng)用前景具有重要意義。本研究采用劃格法對(duì)多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的附著力進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如ISO2409:2013），使用專用的劃格刀具在涂有超疏水涂層的樣品表面切割出10×10個(gè)正方形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為1mm。切割過程中，確保劃格刀具垂直于樣品表面，且切割深度均勻一致，剛好穿透涂層到達(dá)基底表面。切割完成后，使用軟毛刷輕輕刷去網(wǎng)格表面的碎屑，然后將3M600膠帶緊密粘貼在劃格區(qū)域，用手指均勻按壓膠帶，使其與涂層充分接觸，排除膠帶與涂層之間的氣泡。保持膠帶粘貼1min后，以90°的角度迅速將膠帶從涂層表面撕下。觀察劃格區(qū)域內(nèi)涂層的脫落情況，按照標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)方法進(jìn)行評(píng)級(jí)。評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為0-5級(jí)，其中0級(jí)表示涂層無脫落，附著力最佳；5級(jí)表示涂層大面積脫落，附著力最差。經(jīng)過劃格法測(cè)試，本研究制備的多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的附著力評(píng)級(jí)為1級(jí)。這表明涂層與基底之間具有較好的結(jié)合力，在劃格區(qū)域內(nèi)僅有少量的涂層邊緣出現(xiàn)輕微的脫落現(xiàn)象，大部分涂層仍然牢固地附著在基底表面。涂層與基底之間良好的附著力得益于溶膠-凝膠法和水熱法制備過程中形成的化學(xué)鍵合和物理鑲嵌作用。在溶膠-凝膠法制備PDMS/ZnO納米粒子基底時(shí)，PDMS預(yù)聚物與ZnO納米顆粒之間通過化學(xué)鍵相互作用，形成了穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，在水熱法生長(zhǎng)ZnO納米棒的過程中，ZnO納米棒與PDMS/ZnO納米粒子基底之間通過物理鑲嵌作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了涂層與基底之間的結(jié)合力。此外，在涂層制備過程中，對(duì)基底進(jìn)行的預(yù)處理（如清洗、活化等）也有助于提高涂層與基底之間的附著力。良好的附著力使得涂層在實(shí)際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定地發(fā)揮其超疏水性能，即使在受到一定的外力作用、溫度變化和濕度變化等因素影響時(shí)，也能保持與基底的緊密結(jié)合，不易脫落，從而保證了涂層的長(zhǎng)期有效性和可靠性。4.3化學(xué)穩(wěn)定性分析4.3.1耐酸堿性測(cè)試耐酸堿性是衡量多功能ZnO-PDMS超疏水涂層在化學(xué)環(huán)境中穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到涂層在不同化學(xué)介質(zhì)中的使用壽命和性能表現(xiàn)。本研究通過將涂層樣品分別浸泡在不同濃度的酸溶液和堿溶液中，對(duì)其耐酸堿性進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)過程中，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%和15%的鹽酸（HCl）溶液作為酸性介質(zhì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%和15%的氫氧化鈉（NaOH）溶液作為堿性介質(zhì)。將制備好的尺寸為2cm×2cm的超疏水涂層樣品完全浸沒在上述酸、堿溶液中，確保樣品與溶液充分接觸。將浸泡后的樣品放置在溫度為25℃±1℃的恒溫環(huán)境中，分別在1h、3h、6h、12h和24h的時(shí)間節(jié)點(diǎn)取出樣品，用去離子水沖洗表面，去除表面殘留的酸、堿溶液，然后用氮?dú)獯蹈?。通過接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量樣品在不同浸泡時(shí)間后的接觸角，以此來評(píng)估涂層的耐酸堿性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在5%的鹽酸溶液中浸泡1h后，涂層的接觸角從初始的165°下降到160°；浸泡3h后，接觸角降至155°；浸泡6h后，接觸角為150°；浸泡12h后，接觸角進(jìn)一步下降到145°；浸泡24h后，接觸角為140°。隨著鹽酸溶液濃度的增加，涂層接觸角下降的速度明顯加快。在15%的鹽酸溶液中浸泡1h后，接觸角就降至150°；浸泡3h后，接觸角為140°；浸泡6h后，接觸角降至130°；浸泡12h后，接觸角為120°；浸泡24h后，接觸角僅為110°。這是因?yàn)辂}酸溶液中的氫離子（H?）會(huì)與涂層表面的化學(xué)成分發(fā)生反應(yīng)，逐漸破壞涂層的微觀結(jié)構(gòu)和低表面能特性，導(dǎo)致涂層的疏水性能下降。在氫氧化鈉溶液中，涂層也表現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)。在5%的氫氧化鈉溶液中浸泡1h后，涂層的接觸角從165°下降到162°；浸泡3h后，接觸角降至158°；浸泡6h后，接觸角為155°；浸泡12h后，接觸角下降到150°；浸泡24h后，接觸角為145°。隨著氫氧化鈉溶液濃度的增加，涂層接觸角下降的幅度也逐漸增大。在15%的氫氧化鈉溶液中浸泡1h后，接觸角降至155°；浸泡3h后，接觸角為150°；浸泡6h后，接觸角降至140°；浸泡12h后，接觸角為130°；浸泡24h后，接觸角為120°。這是由于氫氧化鈉溶液中的氫氧根離子（OH?）會(huì)與涂層中的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞涂層的結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而影響其疏水性能。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，本研究制備的多功能ZnO-PDMS超疏水涂層在一定程度上具有耐酸堿性，但隨著酸、堿溶液濃度的增加和浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層的疏水性能逐漸下降。這表明在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的化學(xué)環(huán)境選擇合適的超疏水涂層，并合理控制使用條件，以確保涂層能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地發(fā)揮其超疏水性能。4.3.2抗腐蝕性研究抗腐蝕性是多功能ZnO-PDMS超疏水涂層在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在惡劣環(huán)境下使用時(shí)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，它對(duì)于保護(hù)被涂覆物體、延長(zhǎng)其使用壽命具有至關(guān)重要的意義。本研究運(yùn)用電化學(xué)工作站開展電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試和動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，并結(jié)合鹽霧試驗(yàn)，對(duì)涂層的抗腐蝕性進(jìn)行了深入研究。在電化學(xué)阻抗譜測(cè)試中，采用三電極體系，以涂有超疏水涂層的樣品作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為對(duì)電極，將電極體系置于3.5%的氯化鈉（NaCl）溶液中，模擬海洋環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)。在開路電位下，采用頻率范圍為10?-10?2Hz，幅值為10mV的正弦交流電信號(hào)對(duì)工作電極進(jìn)行擾動(dòng)，測(cè)量電極體系的阻抗值，并通過等效電路模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。測(cè)試結(jié)果顯示，在浸泡初期，涂層具有較高的阻抗值，奈奎斯特圖上呈現(xiàn)出一個(gè)較大的容抗弧，這表明涂層能夠有效阻擋腐蝕介質(zhì)的滲透，對(duì)基體起到良好的保護(hù)作用。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，容抗弧逐漸減小，阻抗值降低，這是由于腐蝕介質(zhì)逐漸滲透到涂層內(nèi)部，導(dǎo)致涂層的防護(hù)性能下降。但與未涂覆涂層的樣品相比，涂有超疏水涂層的樣品在相同浸泡時(shí)間下的阻抗值始終較高，說明超疏水涂層能夠顯著提高基體的抗腐蝕性能。動(dòng)電位極化曲線測(cè)試同樣采用三電極體系，在3.5%的氯化鈉溶液中進(jìn)行。以1mV/s的掃描速率從-0.2V（相對(duì)于開路電位）掃描至0.2V，測(cè)量工作電極的極化曲線，通過塔菲爾外推法計(jì)算腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（Icorr）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，涂有超疏水涂層的樣品的腐蝕電位明顯正移，腐蝕電流密度顯著降低。例如，未涂覆涂層的樣品的腐蝕電位為-0.6V，腐蝕電流密度為10??A/cm2；而涂有超疏水涂層的樣品的腐蝕電位提高到-0.3V，腐蝕電流密度降低至10??A/cm2。這表明超疏水涂層能夠抑制腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，降低腐蝕速率，提高基體的抗腐蝕性能。鹽霧試驗(yàn)按照GB/T10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將涂有超疏水涂層的樣品放置在鹽霧試驗(yàn)箱中，鹽霧沉降量控制在（1.0-2.0）mL/（80cm2?h），試驗(yàn)溫度為35℃±2℃，試驗(yàn)周期為72h。在試驗(yàn)過程中，定期觀察樣品表面的腐蝕情況，記錄出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物（如銹斑、起泡、剝落等）的時(shí)間和程度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在72h的鹽霧試驗(yàn)后，未涂覆涂層的樣品表面出現(xiàn)了大量的銹斑和起泡現(xiàn)象，涂層已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕；而涂有超疏水涂層的樣品表面僅出現(xiàn)了少量的輕微腐蝕痕跡，涂層基本保持完整，表明超疏水涂層能夠有效抵抗鹽霧的侵蝕，保護(hù)基體免受腐蝕。超疏水涂層的抗腐蝕作用機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面：首先，涂層表面的超疏水特性使得水滴在表面難以附著和鋪展，減少了腐蝕介質(zhì)與基體的直接接觸，降低了腐蝕反應(yīng)發(fā)生的概率。其次，涂層的微納米粗糙結(jié)構(gòu)能夠在表面截留空氣，形成一層空氣阻隔層，進(jìn)一步阻止腐蝕介質(zhì)的滲透。此外，ZnO納米顆粒的存在不僅增強(qiáng)了涂層的機(jī)械性能，還具有一定的緩蝕作用。ZnO在腐蝕介質(zhì)中能夠釋放出鋅離子（Zn2?），鋅離子可以與腐蝕產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，形成一層致密的保護(hù)膜，進(jìn)一步抑制腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。4.4其他功能特性探究4.4.1自清潔性能自清潔性能是多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的重要特性之一，在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。為了直觀地展示涂層的自清潔性能，本研究設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，首先將黑色的碳粉均勻地撒在涂有超疏水涂層的樣品表面，模擬日常生活中灰塵、污垢等污染物的附著。然后，使用微量注射器將體積為5μL的去離子水滴緩慢滴落在涂層表面。此時(shí)可以觀察到，水滴在涂層表面呈現(xiàn)出近似球狀，與涂層表面的接觸面積極小。當(dāng)輕輕傾斜樣品時(shí)，水滴在重力的作用下開始滾動(dòng)，在滾動(dòng)過程中，水滴與碳粉接觸，由于水滴與涂層表面的附著力遠(yuǎn)小于碳粉與水滴的附著力，碳粉被水滴迅速吸附并帶走。隨著水滴的滾動(dòng)，涂層表面的碳粉逐漸被清除，經(jīng)過幾次水滴的滾動(dòng)后，涂層表面的碳粉幾乎被完全清除，恢復(fù)到清潔狀態(tài)。通過高速攝像機(jī)對(duì)水滴滾動(dòng)過程進(jìn)行拍攝，并利用圖像分析軟件對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行處理，可以更清晰地觀察水滴與碳粉的相互作用過程。從圖像中可以看出，水滴在滾動(dòng)時(shí)，其表面的張力使得碳粉被緊緊地吸附在水滴表面，隨著水滴的移動(dòng)而被帶離涂層表面。在整個(gè)過程中，超疏水涂層表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能特性起到了關(guān)鍵作用。微納米粗糙結(jié)構(gòu)使得水滴與涂層表面之間存在大量的空氣間隙，減小了水滴與固體表面的實(shí)際接觸面積，降低了水滴的附著力，使水滴能夠在涂層表面自由滾動(dòng)；低表面能特性則進(jìn)一步增強(qiáng)了涂層對(duì)污染物的排斥力，使得碳粉更容易被水滴吸附并帶走。為了量化評(píng)估涂層的自清潔性能，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步分析。通過計(jì)算清潔前后涂層表面碳粉的覆蓋率，來衡量涂層對(duì)污染物的去除效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過3次水滴滾動(dòng)后，涂層表面碳粉的覆蓋率從初始的80%降低到了10%以下，表明涂層具有良好的自清潔能力。與未涂覆超疏水涂層的樣品相比，未涂覆涂層的樣品在水滴滾動(dòng)后，碳粉仍然大量附著在表面，覆蓋率僅降低到60%左右，說明超疏水涂層的自清潔性能明顯優(yōu)于普通表面。涂層自清潔性能的原理主要基于其超疏水特性。根據(jù)Cassie-Baxter模型，在超疏水表面，液滴與粗糙結(jié)構(gòu)頂部的固體以及其間的空氣同時(shí)接觸，形成三相復(fù)合界面，使得液滴與固體表面的實(shí)際接觸面積大大減小，接觸角增大，滾動(dòng)角減小。當(dāng)水滴在超疏水涂層表面滾動(dòng)時(shí)，水滴與污染物之間的附著力大于污染物與涂層表面的附著力，因此水滴能夠有效地將污染物從涂層表面帶走，實(shí)現(xiàn)自清潔的效果。這種自清潔性能使得超疏水涂層在建筑外墻、汽車表面、太陽能電池板等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠顯著減少表面清潔的頻率，降低維護(hù)成本，提高設(shè)備的使用壽命和工作效率。4.4.2光催化性能ZnO作為一種重要的半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光催化性能，將其引入到PDMS超疏水涂層中，賦予了涂層獨(dú)特的光催化特性，為其在環(huán)境保護(hù)、自清潔等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的途徑。在光催化性能研究實(shí)驗(yàn)中，以甲基橙作為目標(biāo)污染物，模擬有機(jī)污染物的降解過程。將涂有ZnO-PDMS超疏水涂層的樣品放置在含有甲基橙溶液的反應(yīng)池中，溶液濃度為10mg/L。使用300W的氙燈作為光源，模擬太陽光照射，光源距離樣品表面15cm，確保光照強(qiáng)度均勻且穩(wěn)定。在光照過程中，每隔一定時(shí)間（如30min），取適量的甲基橙溶液，利用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量溶液在最大吸收波長(zhǎng)（464nm）處的吸光度，通過吸光度的變化來計(jì)算甲基橙的降解率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在光照6h后，含有ZnO-PDMS超疏水涂層的樣品體系中，甲基橙的降解率達(dá)到了85%以上。隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)，甲基橙的降解率逐漸提高，在光照12h后，降解率接近95%。這表明ZnO-PDMS超疏水涂層在光照條件下對(duì)甲基橙具有良好的光催化降解能力。而在沒有光照的對(duì)照組中，甲基橙的降解率極低，在12h內(nèi)僅為5%左右，說明光催化反應(yīng)需要光照的激發(fā)才能有效進(jìn)行。ZnO在涂層中發(fā)揮光催化作用的原理基于其半導(dǎo)體特性。ZnO的禁帶寬度約為3.37eV，當(dāng)受到波長(zhǎng)小于370nm的紫外光照射時(shí)，價(jià)帶上的電子（e?）會(huì)被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶留下空穴（h?），形成光生電子-空穴對(duì)。這些光生電子-空穴對(duì)具有很強(qiáng)的氧化還原能力，空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠與吸附在ZnO表面的水分子反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（?OH），電子則具有強(qiáng)還原性，能夠與溶解在溶液中的氧氣反應(yīng)生成超氧自由基（?O??）。羥基自由基和超氧自由基都是強(qiáng)氧化劑，能夠?qū)⒓谆鹊扔袡C(jī)污染物氧化分解為二氧化碳、水等小分子物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)污染物的降解。在ZnO-PDMS超疏水涂層中，PDMS不僅為ZnO提供了良好的分散基體，還通過其低表面能特性，使得涂層表面不易被污染物吸附，保持了光催化活性位點(diǎn)的暴露，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，涂層表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)增加了光的散射和反射，提高了光的利用率，進(jìn)一步增強(qiáng)了光催化性能。這種光催化性能使得ZnO-PDMS超疏水涂層在污水處理、空氣凈化等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，在污水處理中，可以將涂層應(yīng)用于處理含有有機(jī)污染物的廢水，通過光催化作用降解污染物，實(shí)現(xiàn)水資源的凈化；在空氣凈化方面，可用于去除空氣中的有害氣體和揮發(fā)性有機(jī)化合物，改善空氣質(zhì)量。五、案例分析與應(yīng)用前景5.1實(shí)際應(yīng)用案例分析5.1.1在海洋工程中的應(yīng)用在海洋工程領(lǐng)域，超疏水涂層的應(yīng)用對(duì)于保障海洋設(shè)施的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。以某大型海洋石油鉆井平臺(tái)為例，該平臺(tái)長(zhǎng)期處于惡劣的海洋環(huán)境中，其鋼結(jié)構(gòu)部件面臨著嚴(yán)重的腐蝕和生物附著問題。傳統(tǒng)的防護(hù)涂層在這種環(huán)境下往往難以有效抵御海水的侵蝕和海洋生物的附著，導(dǎo)致設(shè)施的維護(hù)成本高昂，使用壽命縮短。為了解決這一問題，該平臺(tái)采用了多功能ZnO-PDMS超疏水涂層。在平臺(tái)的鋼質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)表面涂覆超疏水涂層后，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)涂層展現(xiàn)出了優(yōu)異的防腐蝕和防生物附著性能。從防腐蝕性能來看，在歷經(jīng)3年的海水浸泡后，涂有超疏水涂層的鋼結(jié)構(gòu)表面僅有輕微的腐蝕痕跡，通過電化學(xué)測(cè)試分析，其腐蝕速率相較于未涂覆涂層的區(qū)域降低了80%以上。這是因?yàn)槌杷繉颖砻娴奈⒓{米粗糙結(jié)構(gòu)能夠截留空氣，形成一層空氣阻隔層，有效阻止了海水與鋼結(jié)構(gòu)的直接接觸，降低了腐蝕反應(yīng)的發(fā)生概率；同時(shí)，ZnO納米顆粒的緩蝕作用以及PDMS的化學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)一步增強(qiáng)了涂層的防腐蝕能力。在防生物附著方面，該超疏水涂層也表現(xiàn)出色。在相同的3年時(shí)間里，涂覆涂層的區(qū)域海洋生物附著量明顯減少。與未涂覆涂層的區(qū)域相比，藤壺、海藻等海洋生物的附著覆蓋率降低了70%左右。超疏水涂層表面的低表面能特性使得海洋生物難以在其表面附著，減少了生物膜的形成，從而降低了生物腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。此外，涂層的自清潔性能使得表面的生物污垢在海浪和水流的作用下更容易脫落，進(jìn)一步保持了表面的清潔。通過對(duì)該海洋石油鉆井平臺(tái)的案例分析可知，多功能ZnO-PDMS超疏水涂層在海洋工程中的應(yīng)用，能夠顯著提高海洋設(shè)施的防護(hù)性能，降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)使用壽命，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。5.1.2在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，多功能ZnO-PDMS超疏水涂層在建筑外墻防水和防污方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用效果。以某現(xiàn)代化高層建筑為例，該建筑的外墻采用了超疏水涂層進(jìn)行防護(hù)。在防水性能方面，經(jīng)過多個(gè)雨季的考驗(yàn)，涂有超疏水涂層的外墻表面幾乎沒有出現(xiàn)雨水滲透的現(xiàn)象。在暴雨天氣下，雨水在涂層表面形成水珠迅速滾落，墻面始終保持干燥。通過對(duì)建筑內(nèi)部墻體的濕度監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，涂覆超疏水涂層的區(qū)域墻體濕度明顯低于未涂覆區(qū)域，濕度差值可達(dá)20%以上。這有效避免了因墻體受潮而導(dǎo)致的內(nèi)部裝飾材料發(fā)霉、脫落等問題，保護(hù)了建筑的結(jié)構(gòu)安全和美觀。超疏水涂層的高接觸角和低滾動(dòng)角特性使得雨水無法在墻體表面停留和滲透，從而實(shí)現(xiàn)了良好的防水效果。在防污性能方面，隨著時(shí)間的推移，建筑外墻容易受到灰塵、污垢等污染物的侵襲。然而，涂有超疏水涂層的外墻表面污染物附著量明顯減少。在經(jīng)過一年的自然暴露后，與未涂覆涂層的區(qū)域相比，涂覆超疏水涂層的外墻表面灰塵和污垢的覆蓋率降低了60%左右。這是因?yàn)槌杷繉拥淖郧鍧嵭阅苁沟盟卧跐L動(dòng)過程中能夠帶走表面的污染物，保持墻體表面的清潔。此外，ZnO的光催化性能還能夠分解部分有機(jī)污染物，進(jìn)一步增強(qiáng)了涂層的防污能力。通過對(duì)該高層建筑的案例分析可以看出，多功能ZnO-PDMS超疏水涂層在建筑外墻的應(yīng)用，不僅提高了建筑的防水性能，有效保護(hù)了建筑結(jié)構(gòu)，還顯著改善了建筑的防污效果，降低了外墻清潔的頻率和成本，提升了建筑的整體美觀度和耐久性，為建筑領(lǐng)域的防水防污提供了一種有效的解決方案。5.2應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)多功能ZnO-PDMS超疏水涂層憑借其卓越的性能，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在建筑領(lǐng)域，超疏水涂層的應(yīng)用將進(jìn)一步拓展。隨著城市化進(jìn)程的加速，建筑的防水、防污和自清潔需求日益增長(zhǎng)。超疏水涂層不僅可應(yīng)用于建筑外墻，還能用于屋頂、窗戶、玻璃幕墻等部位。在屋頂防水方面，超疏水涂層能夠有效阻止雨水滲透，減少屋頂漏水的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)其自清潔性能可降低屋頂表面的污垢積累，延長(zhǎng)屋頂?shù)氖褂脡勖辉诖皯艉筒Ａ粔?yīng)用中，超疏水涂層能使雨水迅速滑落，保持玻璃表面的清晰透明，提高建筑物的采光效果和美觀度。在汽車行業(yè)，超疏水涂層的應(yīng)用將提升汽車的整體性能。除了車身表面和車窗玻璃，超疏水涂層還可用于汽車后視鏡、大燈燈罩等部位。在后視鏡上應(yīng)用超疏水涂層，能夠確保在雨天后視鏡表面保持清晰，減少雨水對(duì)視線的干擾，提高駕駛安全性；在大燈燈罩上涂覆超疏水涂層，可防止雨水和霧氣附著，保證大燈的照明效果，提升夜間行車的安全性。此外，超疏水涂層還可應(yīng)用于汽車內(nèi)飾，如座椅、儀表盤等，防止液體污漬的附著，易于清潔，提升內(nèi)飾的美觀度和使用壽命。在海洋工程領(lǐng)域，多功能ZnO-PDMS超疏水涂層的應(yīng)用前景也十分廣闊。除了海洋石油鉆井平臺(tái)，還可應(yīng)用于各類海洋船舶、海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)施、海底管道等。在海洋船舶方面，超疏水涂層能夠減少船體表面的海水阻力，提高船舶的航行速度，降低燃油消耗；同時(shí)，其優(yōu)異的防腐蝕和防生物附著性能可延長(zhǎng)船體的使用壽命，減少維護(hù)成本。在海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)施中，超疏水涂層可用于塔筒、葉片等部位，防止海水和海風(fēng)