摘要：聚二甲基硅氧烷（PDMS）因优异理化特性，在超疏水表面构建领域应用潜力突出，尤其适用于油水分离场景。针对传统制备工艺复杂、激光加工方案缺乏标准化的问题，本研究开发高效稳定的PDMS 基超疏水铜网制备技术：通过火焰处理法沉积 PDMS 疏水层，引入模板微透镜阵列增强激光加工效率，构建微纳复合超疏水界面。测试表明，该铜网超疏水性与超亲油性优异，油包水乳液分离效率最高达 97.5% ，兼具耐腐、抗紫外、自清洁能力。本研究突破传统工艺瓶颈，为油水分离等多场景应用提供可靠材料方案，科研与应用价值显著。

关键词：超疏水性；超亲油性；PDMS

1 引言

全球海洋经济扩张背景下，海上溢油事故频发，对海洋生态系统、人类健康及沿海渔业、旅游业等相关经济领域造成了严重威胁，2010 年墨西哥湾漏油事件造成的数百亿美元损失，更凸显了溢油治理的迫切性。传统油水分离技术（如重力分离、沉淀、过滤、离心、生物氧化及电解等[1]）普遍存在分离效率低，操作流程复杂等固有缺陷，难以适配复杂含油体系的处理需求，因此开发高效的新型油水分离技术已成为亟待解决的世界性难题。

在此背景下，超疏水/超亲油材料也逐渐引起人们的注意，不仅对水表现出强烈的疏水性，还对油类表现出超亲油的性质，因此被认为可以用于需要油水分离的场合[2]。有效进行油/水分离主要依靠粗糙的材料表面，粗糙材料表面的制备方法主要有电沉积法，涂敷法，烧结法，刻蚀法等，使用这些方法在制备超疏水材料过程中可以使表面直接获得超疏水性，避免了低表面物质的使用，并且制备过程相对简单[3-5]。超疏水性的核心定义为水滴与材料表面的静态接触角大于150°且滚动角小于 10°，其形成源于“荷叶效应”[6]。在油水分离过程中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）因具备优异的性能，加工性强，可通过多种工艺构建微纳粗糙结构，成为构建超疏水表面的优选基材。其中，烧结法[7]与火焰处理法因流程简便。汪清等[8]通过使用 PDMS 进行疏水作用和随后的火焰处理工艺来为材料提供多孔和粗糙的表面，其涂层表现出显著的超疏水性和超亲油性，并且还具有很强的抗摩擦性和拒水性。对于材料方面，用于油水过滤的基材有三种主要类型，即金属网格、纺织物和聚合物膜，以上述基材作为基质来制备具有油水分离性能的材料被认为是一种简便高效的替代传统油水分离的方法[9]。然而，这三种材料都具备其独特的优势以及不足，且每种材料所需的处理方法不同。其中，由于金属网格材料具有机械强度大、大规模生产和高流通量等特点，如铜网和不锈钢网等，在选择性油水分离中应用最为普遍[10]。 例如徐凯乐等[11]利用碱液氧化法在铜网上生长纳米针状粗糙结构，并枝接具有pH 响应性的低表面能长链硫醇分子，制备了空气中超疏水超亲油、碱性溶液中超亲水水下超疏油金属铜网。栾仁杰等[12]通过将-巯基乙醇与三氟乙酸酐通过条件温和的酯化反应合成三氟乙酸巯基乙酯，通过一步浸泡法将其修饰到铜网表面，成功制备出超疏水超亲油铜网。胡智杰等[13]通过PDMS 燃烧时产生大量的烟灰，利用烟灰形成的粗糙结构和烟灰本身的低表面能性可完成超疏水材料的制备。然而，现有PDMS 基超疏水铜网仍面临诸多技术瓶颈，即便激光加工技术精度较高，也存在 PDMS 激光吸收效率低、缺乏标准化方案的问题，这些缺陷严重限制了其实际应用寿命。

为此，本课题旨在突破上述瓶颈，采用PDMS 沉积结合火焰加热改性的简便方法，在铜网表面构建超疏水结构，通过提升表面粗糙度实现超疏水效果。研究将系统探究材料的自清洁性、粘附性等超疏水性能，以机械性能、耐腐蚀性、耐摩擦性为指标分析其耐久性[14]。该研究不仅有望建立高效简便的超疏水涂层制备方案，更能获得坚固的油水分离铜网，为海上溢油应急处理提供创新技术支撑，助力提升超疏水材料的应用效率与范围，兼具重要的学术价值与工程意义。

2 实验

实验材料：选用200 目、400 目紫铜网，先对基底铜网完成预处理，去除表面杂质与氧化层后，将其浸入预设浓度的PDMS 溶液中，确保铜网表面充分浸润并均匀吸附PDMS 涂层，取出后经干燥固化处理，获得 PDMS修饰铜网（PDMS-CM）。针对PDMS-CM 实施火焰改性工艺，通过精准调控火焰与样品的间距、加热时长等关键参数，利用热效应促使涂层表面形成致密的多级微纳粗糙结构，进而得到具备超疏水特性的改性铜网（FPDMS-CM）。

涂液配方：PDMS 材料（Sylgard184 硅橡胶）、正己烷、乙醇、盐酸

配置溶液：按照质量比10：1 将PDMS 预聚体与固化剂混合，加入适量正己烷作为稀释介质，放入磁力搅拌器中以300r/min 的转速搅拌30 分钟，确保各组分充分融合且体系均匀。通过调节正己烷的添加量，分别配制5wt%、8wt%、10wt%等不同浓度的 PDMS 混合溶液，用于后续工艺参数优化实验。

工艺过程： 先预处理基底铜网以去除杂质与氧化层，将其浸入预设浓度PDMS 溶液中充分浸润吸附，经干燥固化得到PDMS 修饰铜网（PDMS-CM）；再精准调控火焰间距、加热时长等参数，对PDMS-CM 进行火焰改性，促使涂层形成致密多级微纳粗糙结构，最终获得超疏水铜网（FPDMS-CM）。通过SEM 观测原始铜网（CM）、PDMS-CM 及FPDMS-CM 的微观形貌演变，结合EDS 图谱，分析火焰处理对表面粗糙度的调控机制及元素组成与含量变化。

性能测试：润湿性能测试：以 CM、PDMS-CM 为对照，测定样品表面与水滴的粘附强度、水滴铺展状态及滚动角，量化分析火焰改性对铜网润湿性能的提升效果。油水分离测试：选取不同类型有机溶剂与去离子水配制混合体系，以FPDMS-CM 作为核心分离介质， 各体系分离效率，验证材料对不同油相的适配性。耐久性测试：模拟复杂服役环境，将FPDMS- 分别置 酸、pH=14 强碱、 3.5% NaCl 模拟海水体系中浸泡，同时进行紫外灯持续照射处理，定期检测其润湿性能衰减情况，综合评价材料在极端环境下的稳定性能。

3 结果与讨论

3.1 超疏水铜网疏水性能的测试FPDMS-CM 粘附性测试

图 3-1 （a）FPDMS-CM 表面上水滴的图像；（b）在 FPDMS-CM 表面泵送和注入水的过程；（c）FPDMS-CM 表面上滑动的水滴。

如图3-1（a）所示水滴从接触铜网表面到离开铜网表面，铜网始终表现出强烈的不粘性。如图 3-1 （b） 所示，通过持续向接触表面的水滴中注入或抽取液体，评估其动态接触角的变化。结果显示，拉伸和收缩过程中的接触角分别为 152.6^∘ 和 151.1°，展现出良好的动态稳定性。此外，通过测量水滴的滚动角（WSA），发现其值仅为2.0^∘±2^∘ ，如图 3-1 （c） 所示。这一结果证实了 FPDMS-CM 表面的高度均匀性和非粘性特征，其优异的疏水性能可归因于火焰处理后形成的微纳粗糙结构与低表面能物质的协同作用。经过火焰处理后的FPDMS-CM 超疏水涂层表面显示出更大的粗糙度，降低了FPDMS-CM 表面的表面能，并且涂层表面经过火焰处理后生成的低聚物，使涂层表面的凹凸结构在固-液-气界面产生了更大的作用，从而使涂层表现出超疏水效果[15]。

3.2 超疏水铜网亲油性测试

图3-2 CM 和FPDMS-CM 的石油醚与正己烷铺展过程：（a）-（b）原始铜网上的石油醚和正己烷的铺展过程；（c），（d）石油醚和正己烷在FPDMS-CM 表面上的铺展过程。

如图3-2a-b 所示，原始铜网上的石油醚和正己烷其表面具有良好的亲油性，当石油醚和正己烷液滴滴落在表面上时，它在 以内迅速扩散并润湿原始铜网的表面。图3-2c-d 显示了石油醚和正己烷液滴在FPDMS-CM表面上的扩散过程，这是通过接触角测量仪的快存功能进行保存记录的。而对于 FPDMS-CM，油滴在接触表面的瞬间（小于 0.5 秒）便迅速铺展并完全润湿整个表面，其接触角实测值小于 1°。这些结果表明 FPDMS-CM 表面具有超疏水和超亲油性，有利于油水混合物的分离。

3.3 超疏水铜网油水分离的测试

由上述实验可知，FPDMS-CM 具有超疏水性和超亲油性，有利于油水混合物的分离。

如图3-3 中，油水分离实验装置将 FPDMS-CM 固定于分液漏斗与锥形瓶之间。当混合物倒入漏斗时，由于FPDMS-CM 的超亲油性，油相（四氯化碳）能够迅速穿过铜网孔道，在下方的锥形瓶中收集；而水相则因超疏水特性被有效阻隔在铜网上方。整个分离过程迅速且彻底，收集到的油相清澈透明，未发现任何水相痕迹。如图3-4 所示，为评估其在实际应用中的耐久性，经过 5 次连续的分离 - 清洗循环后，FPDMS-CM 的分离效率仍能保持在 93% 以上。这一结果充分证明了该材料不仅具备高效的油水分离能力，还拥有出色的机械稳定性和循环使用性能。

图 3-5 FPDMS-SM 表面暴露于各种恶劣条件下的水接触角的变化：（a）浸于pH=14 的碱溶液中不同的时间；（b）浸于pH=1 的酸溶液中不同的时间；（c）浸泡在盐水中不同的时间；（d）暴露于紫外线照射下不同的时间。

在图3-5（a），（b）中发现，样品在酸、碱溶液中均出现疏水性小幅下降，但短时间内仍维持超疏水状态；不过在 pH=14 碱液中持续浸泡 10h 后，表面超疏水性丧失，说明该材料对强碱性环境的耐受能力较差。此外，FPDMS-CM 表面在浸入 3.5wt%NaC 溶 表明FPDMS-CM 对盐溶液的耐受性较好（图 3-5c）。FPDMS-CM 表面的 表明该表面具有良好的抗紫外线照射性。综上所述，FPDMS-CM 在多 可维持稳定的疏水性，仅对强碱性环境的适应性偏弱，综合展现出较好的环境耐久性，能够适配多数实际应用场景的需求。

4 结论

（1）结构方面：PDMS 预聚体与固化剂质量比10：1，添加30mL 正己烷作为稀释剂，铜网浸渍时间 40min，该条件下PDMS 在铜网表面覆盖最完整，无孔隙堵塞问题。火焰温度280℃、处理时间25s，PDMS 浓度8wt%、浸渍时间3min，可精准构建多级微纳复合结构，实现最优超疏水效果；火焰处理后，PDMS 不完全降解形成含Si-O 键的低表面能环状聚合物，铜网表面呈现稳定多孔复合结构，EDS 分析显示Si 占比 50.02% 、O 占比 39.20% ，水接触角达（155.2±2.0）°，滚动角仅（5.0±0.5）°，符合 Cassie-Baxter 润湿模型。 该结构与 PDMS 低表面能特性协同作用，使材料静态水接触角达（155.2±2.0）°、滚动角仅（5.0±0.5）°，呈现典型“荷叶效应”。

（2）性能方面：材料对柴油、机油等油-水混合物单次分离效率超 95% ，在强酸、强碱、高盐及紫外光照等恶劣环境下仍保持优异超疏水性与机械稳定性。磨损后经火焰加热可恢复疏水性，仅对pH=14 强碱性环境耐受较弱。30 次磨损循环内保持超疏水状态，70 次循环后仍具备疏水性。

（3）亲油性方面：油滴接触角<1°，0.5 秒内完全铺展；自清洁性突出，可通过水流轻松去除表面污染物；粘附性低，水滴滚动角仅 2.0±2^∘ ，动态疏水性稳定。

参考文献

[1] 吴应湘， 许晶禹. 油水分离技术[J]. 力学进展， 2015， 45（0）： 179-216.

[2] 杨明全. 超亲油材料在油水分离中的应用研究[D]. 大庆：东北石油大学， 201

[3] AL-Rehaili L J， Altuwirqi R M， Aljarb A A， et al. A superhydrophobic graphene@copperlaser for efficient oil/water separation[J]. Surface and Coatings Technology， 2023， 463： 129495.

[4] Zhang Y， Yang X， Wang S， et al. Multifunctional superhydrophobic copper mesh for efficient oil/water separation and fog collection[J]. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2023， 657： 130603.

[5] 王申奥， 何梦倩， 武玉璐， 等. 透明 PDMS 超双疏涂层的制备及性能研究[J]. 内蒙古石油化工， 2023， 49（11）： 9-14.

[6] 赵美蓉， 周惠言， 康文倩， 等. 超疏水表面制备方法的比较[J]. 复合材料学报， 2021， 38（2）： 361-379

[7] 李杰， 路祎祎， 石文天， 等. PDMS/PVDF 静电纺丝膜的制备及油水分离性能研究[J]. 中国塑料， 202438（1）： 28-34.

[8] Wang Q， Xie D， Chen J， et al. Straightforward fabrication of robust and healable superhydrophobic steel mesh based on polydimethylsiloxane[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2022， 139（21）： 52206.

[9] 蔡鑫宇， 李莉， 王金杰， 等. 超亲水-超疏油无机膜材料的制备及在油水分离中的应用[J]. 表面技术，2023， 52（12）： 289-297.

[10] 马建明. 超疏水铜网的制备及其油水分离性能的研究[D]. 青岛：青岛理工大学， 2021.

[11] 徐凯乐， 付超， 张哲鹏， 等. 自清洁型超疏水铜网的制备及其油水分离性能[J]. 应用化工， 2020， 49（1）：5-10.

[12] 栾仁杰， 宁宇震， 马骁轩， 等. 超疏水铜网的制备及其油水分离应用[J]. 水处理技术， 2020， 46（3）：27-30.

[13] 胡智杰. 基于PDMS 灰制备超疏水材料及性能研究[D]. 宜昌：三峡大学， 2023.

[14] 刘成宝， 李敏佳， 刘晓杰， 等. 超疏水材料的研究进展[J]. 苏州科技大学学报， 2018， 35（4）： 1-8.

[15] Cassie A.， Baxiter S. Wettability of porous surfaces [J]. Trans. Faraday Soc.， 1944， 40： 546-551.

基金项目：2025 年山东石油化工学院大学生创新创业训练计划项目“基于聚二甲基硅氧烷的坚固超疏水铜网的制备”（项目编号：DC2024103）

作者简介：孙文旭（2004-），男，本科在读，主要研究方向为材料腐蚀与防护。