疏水性材料

▓撰文：張育誠、吳國光、焦鴻文

未來綠色環保材料將會是世界各國重要發展項目之一，特別是高性能綠建材備受關注，本文特別介紹運用於綠建築的新材料「疏水性材料」，它可以提升建材生命週期與減少能源資源耗費，應用範圍廣泛。

大氣中的水分或溼氣，容易使得一些喜歡水的材料產生劣化現象，以二氧化矽材料而言，是種具有相當優越之物理特性與應用技術，經常運用於各種化學合成物中，但是，純二氧化矽材質化學合成物（凝膠）表面非常喜歡水，隨著時間增長，而產生劣化現象。主結構以二氧化矽為主的化合物，發生化學反應的位置（官能基）為親水（Hydrophilic）的氫氧鍵，本身表面官能基為喜歡水（親水性）的官能基。因此，在與空氣接觸進行大氣乾燥（Ambient Pressure Drying）時，會因為巨大的表面張力收縮而破裂，導致材料使用壽命縮短。若能將化合物材質表面喜歡水的官能基，改質為討厭水（疏水性）的官能基，可以大幅降低表面張力的作用，使得乾燥後材質仍可保有立體狀結構。

何謂疏水表面

所謂的親、疏水性，又可稱為表面是喜歡水的或討厭水的性質。物質的疏水性通常是指與水排斥能力的物理特性，亦即水在疏水物表面上，無法附著、分散或溶解，而是團聚成水滴狀。簡單而言，1個水滴形狀不會因為材料的表面特性，產生附著或分散現象，則可稱該表面為疏水性表面，反之，水滴形狀在材料表面上產生附著或分散現象，則稱之為親水表面。疏水現象可由許多昆蟲翅膀（如蟬類）、水黽的腿上、鵝、鴨與水鳥的羽毛觀察到，羽毛之間的縫隙尺寸為奈米大小，使得本身具有水無法穿透之疏水能力，不會因天候下雨被水沾濕。疏水性材質常見於自然界之蓮花效應（Lotus Effect）得知，藉由表面的微小結構，尺度範圍在數十微米（Micro Meter），空氣存在於蓮花表面之粗糙層，使得水分無法附著或分散於葉面上，讓葉面上的水分形成水滴，當葉面受到震動時，水滴滾動夾帶著葉面上的灰塵與污物一併清除，造成自我清潔效應（Self-cleaning Effect）。

當液滴在固體表面上，形成薄膜或液珠，代表著液體與固體的親和力強弱，又可稱之為潤濕（Wetting）行為。當液體在固體表面之潤濕程度，為液體與固體間的表面張力、表面能與接觸角而定，其中，表面張力單位SI制為N╱m＝kg╱sec2＝J╱m2；CGS制為dynes（達因）╱cm＝g╱sec2 ＝ergs（耳格）╱cm2。一般固體表面上之液滴接觸，分別為固體表面張力、液體表面張力與固液表面張力，位於氣╱液界面與固╱液界面之兩切線上。

如何判斷親、疏水性

接觸角（Contact Angle, θ）與表面能（Surface Energy）為衡量材料本身親、疏水性的指標，接觸角（θ）係指固體表面與液體表面兩者之夾角稱之。接觸角之理論試驗值為0～180度，當θ＜0度時表面完全濕潤，當θ＞180度時表面不完全濕潤。當θ＝1，則液╱固體之吸引力大於液體間的吸引力。

接觸角的大小與表面的疏水性有關，當物質與水滴的接觸角越大，疏水性越高；物質與水滴的接觸角越小，親水性越高。此外，氣體與固體兩者間的表面張力稱為表面自由能（Surface Free Energy）；當表面自由能越大時，表面能可吸附的液體（液滴）能力就越大，液體吸附面積也越大，導致表面接觸角越小。

一般而言，水滴在表面所形成的接觸角度，若小於10度以下的表面，可稱為超親水性；接觸角介於10～90度之間為親水性；90～120度為疏水性，超過120度以上者，則稱為超疏水性。接觸角最常見的量測主要方式，為在固體平面上進行液滴滴定，將液滴滴在1個水平平面上，可稱為座滴法（Sessile Drop），固體表面上的固╱液╱氣三相交界點處，分別為氣╱液界面與固╱液界面之兩切線，將液相夾在其中時所成之夾角。因此，接觸角與表面能攸關材料抑制親水或疏水的能力，建立正確量測具代表性之接觸角與表面能量測技術，將有助於研發材料性能之提升。

接觸角與表面能量測方式

於1805年首推接觸角計算理論（Young’s equation）為Young學者，理論中說明著，當液滴滴在於固體表面上，而液滴會沿著固體表面擴展開來，就類似水滴在紙面上，水迅速在紙面上擴展開來，此種現象代表著液體表面與固體表面兩者之間的差異性。為了要判斷水在固體表面上擴展開來的高低（接觸角），則一般是以θ值來表示，而接觸角計算方式為：固-氣表面張力＝液-固表面張力+氣-液表面張力×cosθ。

其中，表面接觸角量測方式，可依據不同程度之接觸角度，分別施以不同量測方式，如：球體密合法（Circle Fitting）、橢圓密合法（Ellipse Fitting）、楊氏-拉普拉斯法（Young-Laplace Fitting）、端點切線法（Polynomial Fitting）、圓錐法（Cone Section）、全域切線法（Tangent Searching）等方法進行。一般而言，當接觸角小於25度時，也就是物質本身喜歡水多過於討厭水時，可採用球體密合法；當接觸角介於25～110度之間時，則以橢圓密合法；當接觸角大於110度時，則以楊氏-拉普拉斯法進行液滴輪廓計算。

此外，提到接觸角就會想到表面能，所謂表面能為兩種物質之間的表面張力，一般都是藉由推算方式求得表面能的近似值。而表面能推算方式主要有7種，是透過不同液體的表面張力進行計算，其中，又以Owens、Wendt、Rabel及Haeble法最為廣泛使用於表面能之推算。

疏水性材料應用

疏水性材料是一種不喜歡水的材料，可廣泛應用於光學、化妝品、塗料、紡織、表面塗布、印刷、電子業、薄膜製造、TFT-LCD、建材業等，幾乎已包含日常生活中的各項物品，如：大樓玻璃帷幕的表面疏水自潔，達到節能的效果；衣料織布不易沾附水或油滴污漬，清洗方便簡單；汽車與飛機擋風玻璃，可提高雨天行車安全；衛浴之陶瓷表面可達到抗菌與無污垢，增加舒適度；木質構件建材之森林小木屋防潮、防腐；醫療用口罩外層塗布疏水材料，增加飛沫隔離效果，或是在救生衣或救生圈上附著超疏水功能，大幅提升救生功效等。（作者任職於工研院）