综述：疏水性和超疏水涂层：材料、制备策略及耐久性挑战

《International Journal of Molecular Sciences》：Hydrophobic and Superhydrophobic Coatings: Materials, Fabrication Strategies, and Durability Challenges

　　

疏水性和超疏水涂层因其能够提供防水性、自清洁、抗腐蚀、防冰和防污性能而受到广泛关注，使其在众多工业应用中具有前景。本综述总结了疏水性和超疏水涂层开发的最新进展，特别强调了润湿机制、材料选择、涂层形成方法、耐久性问题、商业实施和环境方面。该分析考察了用于涂层制备的主要材料类别，包括聚合物材料、无机化合物和复合材料体系。从表面化学改性和分级粗糙度生成的角度讨论了疏水和超疏水表面形成的机制。关注了限制长期性能的因素，如机械磨损、化学降解、紫外线（UV）照射、气候影响、流体动力侵蚀和与粘附相关的失效，以及当前改善耐久性的策略。回顾了商业可用技术及其应用领域，并考虑了与氟化化合物相关的环境挑战。分析表明，受控表面形貌和降低表面能的结合仍然是实现持久疏水性的有效方法，优化后的涂层系统在苛刻操作条件下接触角（CA）达到160–170°，并保持超疏水性能超过500小时。未来的发展预计将集中于环境友好型、多功能和持久的涂层系统。

1. Introduction
1.1. Fundamental Concepts and Definitions
该部分介绍了润湿性、静态水接触角（WCA）、疏水性（HP）、超疏水性（SHP）、表面粗糙度、疏水化剂、防冰性能、耐腐蚀性、液滴侵蚀、生物污损和防污涂层等关键术语的定义。讨论了三种润湿模型：Young模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，分别对应于理想光滑表面、完全润湿粗糙表面和复合界面（空气截留）的情况。这些模型通过公式描述了接触角与表面能、粗糙度因子和固相分数之间的关系，为理解超疏水行为奠定了基础。

1.2. Classification and Key Parameters of Hydrophobic and Superhydrophobic Materials
定义了HP涂层（WCA>90°）和SHP涂层（WCA>150°且滑动角<10°）的关键特征。SHP涂层能同时提供多种功能（防水、自清洁、防冰、防腐、防污），但实际应用中需要权衡耐久性因素，包括机械强度、化学稳定性、温度波动和紫外线（UV）辐射。本综述旨在总结最广泛研究的制备方法，重点关注功能涂层沉积与后续表面改性的综合策略，并分析材料类别、机制、耐久性挑战以及商业和环境方面。

2. Fabrication Methods for Hydrophobic and Superhydrophobic Coatings: Processing, Materials, and Performance Evaluation
该部分概述了制备方法的关键：降低表面能并创建合适表面粗糙度。方法选择取决于基材类型、所需功能、几何形状、操作条件和经济因素。

2.1. The Main Methods of Relief Formation and Hierarchical Roughness
2.1.1. Etching
通过化学刻蚀在基材上形成微纳结构，随后用疏水化剂（如氟化硅烷和羧酸）修饰。适用于金属和合金，优点包括精确控制表面结构、高集成度和可扩展性；缺点包括使用腐蚀性试剂、过刻蚀风险以及机械脆弱性。

2.1.2. Anodization
在金属（铝、钽、铌、钛）上形成多孔氧化物层，然后进行疏水化处理。多孔结构提供粗糙度，疏水化剂降低表面能。优点包括形貌可控和增强附着力；缺点包括对参数敏感、疏水层长期不稳定以及易磨损。

2.1.3. Laser Treatment
利用激光辐照在材料表面形成微纳结构，然后进行化学修饰。适用于金属、陶瓷和聚合物。关键参数包括激光波长和扫描步距。优点包括高精度、非接触和环保；缺点包括速度慢、热损伤风险以及可能需要额外化学修饰。

2.1.4. Lithography
通过光刻胶、掩模和曝光在基材上形成图案，然后刻蚀和疏水化。分辨率高（10–100 nm），可精确控制图案。缺点包括设备昂贵、多步骤、不适合大规模生产以及精细结构易降解。

2.1.5. Plasma Treatment
利用等离子体（氟碳等离子体、有机单体等离子体聚合、等离子体刻蚀）在表面形成粗糙度和低表面能涂层。优点包括简化工艺、环保和适用于复杂形状；缺点包括长期稳定性差（金属上）、控制困难和能耗高。

2.1.6. Hydrothermal Synthesis
在密封高压釜中，通过高温高压化学反应在基材上生长纳米结构，然后疏水化。适用于多种基材，形貌可控。缺点包括时间长、设备昂贵和不易放大。

2.2. Methods of Applying Functional Layers for the Formation of HP and SHP Coatings
2.2.1. Sol–Gel Method
通过前驱体水解缩合形成溶胶，然后涂覆、干燥和热处理。可加入疏水前驱体。优点包括适用基材广、结构可控和热稳定性好；缺点包括厚度限制、裂纹风险和机械耐久性低。

2.2.2. Wet Chemical Reaction
通过溶液处理在表面形成保护膜或结构化层。常用材料包括有机硅烷和氟化化合物。优点包括简单和成本低；缺点包括裂纹、耐久性低和需仔细表面准备。

2.2.3. The Method of Dip Coating
将基材浸入溶液后以受控速度提拉，形成涂层。通过纳米粒子和疏水剂实现粗糙度和低表面能。优点包括厚度可控、均匀和简单；缺点包括附着力有限、依赖参数和需后处理。

2.2.4. Spray Coating Technology
通过喷枪将悬浮液或溶液喷涂到基材上。适用于大面积和复杂形状。优点包括简单和效率高；缺点包括粗糙度难控制、耐磨性差和附着力问题。

2.2.5. Electrodeposition
在电场作用下，离子在阴极还原形成涂层。通过控制参数和添加疏水组分实现粗糙度和低表面能。优点包括技术简单、可扩展和能耗低；缺点包括仅适用于导电基材、大面积均匀性难和可能开裂。

2.2.6. Thermal Spraying
通过热喷涂（真空沉积）蒸发源材料冷凝在基材上。使用疏水前驱体。优点包括通用性高和沉积速率快；缺点包括难以形成复杂纹理、热损伤和耐久性低。

2.3. Control of Structure and Morphology at the Nanoscale to Realize HP and SHP Properties
2.3.1. CVD
通过气相前驱体化学反应在基材上形成固体涂层。可控制温度、压力、前驱体浓度等参数以实现分层结构。优点包括共形性好、可控和附着力强；缺点包括高温、前驱体毒性和成本高。

2.3.2. Self-Assembly and LbL Deposition
通过分子或纳米粒子自发组织或交替沉积聚电解质/纳米粒子，形成分层结构，然后疏水化。优点包括可调性和技术简单；缺点包括过程控制复杂、机械强度低和多步骤。

2.3.3. Electrospinning
通过静电纺丝制备纳米纤维毡，具有高孔隙率和分层结构。使用疏水聚合物或添加疏水剂。优点包括形貌可控和孔隙率高；缺点包括聚合物范围有限、溶剂毒性和耐磨性低。

3. Materials for Hydrophobic and Superhydrophobic Coatings: Material Classes and Mechanisms of Coating Formation
该部分将材料分为三大类：聚合物材料、无机化合物和复合材料。

3.1. Polymeric Materials
3.1.1. Fluoropolymers and Organofluorine Compounds
通过三步策略实现：表面改性（氟化）、沉积薄氟聚合物层和接枝聚合。氟化可降低表面能，沉积形成均匀层，接枝聚合提供强化学附着力。结合分层结构，接触角可达150°以上。

3.1.2. Silicon–Organic Polymers
通过化学吸附形成物理吸附层，随后水解缩合形成共价键（≡Si–O–Si≡），最终通过长烷基链优化疏水性。结合粗糙度，接触角可达110–120°以上。

3.1.3. Polyurethanes
通过引入疏水添加剂（有机硅、氟化物）、创建微纳结构（填料、刻蚀、电纺）或组合方法实现。组合方法可达到接触角>150°。

3.1.4. Polyacrylates
通过共聚疏水单体、表面改性（等离子体、化学接枝）或形成纹理表面实现。组合方法可达到超疏水状态。

3.2. Inorganic Compounds
3.2.1. HP and SHP Coatings Based on SiO₂ and Al₂O₃ Oxides
两步策略：创建粗糙结构（阳极氧化、溶胶-凝胶、激光、刻蚀），然后化学修饰（烷基硅烷、氟硅烷、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、六甲基二硅氮烷（HMDS））降低表面能。通过共价键形成单层，表面能降至10–20 mN/m。

3.2.2. SiO₂ Nanoparticles for the Formation of HP and SHP Coatings
通过纳米粒子沉积形成粗糙结构，然后表面疏水化（硅烷水解缩合）。最终性能取决于覆盖度、聚集密度、厚度和机械性能。接触角>150°且滑动角<10°。

3.2.3. Formation of HP and SHP Coatings Based on Carbides
碳化物（碳化硅（SiC）、碳化钛（TiC）、碳化钨