说明：本文华算科技介绍了亲水性和疏水性的定义、本质及分类。文章还探讨了亲疏水性的核心区别，包括分子作用、宏观表现和表面结构，并介绍了接触角测试、水吸附量测试、微观结构表征等分析方法，同时指出常见误区，强调实际应用中需综合考虑多种因素。
亲水性是指物质倾向于与水相互作用、被水润湿或溶解在水中的特性，其本质是水分子与物质分子之间的作用力，如氢键、极性引力大于水分子之间的内聚力。
从分子结构来看，亲水性物质通常含有极性官能团，如羟基-OH、羧基-COOH、氨基-NH2、磺酸基-SO3H等，这些极性基团能与水分子形成氢键，使水分子容易在物质表面铺展或渗透。
例如，葡萄糖分子因含多个羟基，具有极强的亲水性，能快速溶解于水；玻璃表面因存在硅羟基，对水具有良好的亲润性。
图1：表面张力是由液体表面分子所受的合力不平衡引起的。DOI：10.1007/978-3-642-34243-1_1
疏水性则是指物质倾向于排斥水、不被水润湿或难溶于水的特性，其本质是水分子与物质分子之间的作用力小于水分子之间的内聚力。
疏水性物质的分子结构多为非极性，如碳氢链、芳香环等无法与极性水分子形成有效氢键，水分子会因内聚力作用收缩成液滴，避免与疏水性表面接触。
例如，石蜡、聚四氟乙烯等物质含大量非极性碳碳键，对水具有显著的疏水性；荷叶表面因特殊的微纳结构与疏水成分，能让水滴轻易滚落，表现出极强的疏水性。
图2：水滴在页面上的“自清洁效应”。www.gelest.com
亲水性与疏水性的核心区别体现在分子作用、宏观表现、表面结构等多个维度。
在分子作用层面，亲水性物质与水分子的相互作用以极性作用、氢键为主，作用强度大；疏水性物质与水分子的相互作用以范德华力为主，作用强度小，且存在“疏水效应”，水分子会在疏水性分子周围形成有序的“笼状结构”，降低体系熵值，使疏水性分子倾向于聚集以减少与水的接触面积。
在宏观表现层面，两者的差异集中体现在接触角、水吸附量、溶解性等指标上：亲水性物质与水的接触角通常＜90°，水在表面能快速铺展，吸附水量大；疏水性物质与水的接触角通常＞90°，水在表面呈液滴状附着，吸附水量小，非极性疏水性物质难溶于水。
在表面结构层面，亲水性表面多为极性官能团暴露、表面能较高的结构；疏水性表面则多为非极性官能团暴露或具有特殊微纳粗糙结构（如荷叶的乳突结构），表面能较低。
图3 前进接触角与后退接触角示意图。DOI：10.1007/978-3-642-34243-1_1
根据与水的接触角大小，可将材料表面的亲疏水性分为常规亲水性、常规疏水性、超亲水性、超疏水性四类，各类别具有明确的量化标准与典型特征。
常规亲水性表面：接触角＜90°，水分子能在表面均匀铺展，无明显液滴收缩现象；
常规疏水性表面：接触角90°~150°，水分子在表面形成明显液滴，不易铺展；
超亲水性表面：接触角＜5°，水分子能在表面瞬间铺展，甚至完全浸润；
超疏水性表面：接触角＞150°且滚动角＜10°，水分子在表面呈球状，极易滚动，能带走表面灰尘等污染物（自清洁效应）。
图4：不同亲水程度的接触角示意图。www.gelest.com
接触角测试
接触角测试是亲疏水性定量评估的核心方法，主流测试技术包括座滴法、悬滴法、毛细管上升法等。其中座滴法因操作简便、适用范围广，成为最常用的测试手段。
座滴法的核心原理是：将一定体积的去离子水滴落在水平放置的固体样品表面，待液滴稳定后3~5s，通过光学成像系统捕捉液滴图像，再通过拟合法计算接触角，接触角数值直接对应亲疏水性等级。
图5 接触角仪器示意图。DOI：10.1007/978-3-642-34243-1_1
座滴法测试的关键注意事项：一是样品需平整、清洁、干燥，避免表面污染导致接触角异常增大；二是液滴体积需控制在1~3μL，过大易因重力变形导致误差，过小易受表面粗糙度影响；三是测试环境需稳定：温度25±0.5℃，湿度50%±5%，避免温湿度波动影响水的表面张力，进而影响测试结果。
对于超亲水或超疏水表面，需采用特殊测试技巧：超亲水表面需快速捕捉液滴铺展图像，避免液滴快速铺展后无法测量，超疏水表面需同时测量滚动角，判断是否为真正超疏水。
图6 采用“注射器针头”法测量接触角示意图。DOI：10.3390/colloids5010008
从宏观现象到微观结构的验证
水吸附量测试是亲疏水性的宏观辅助表征方法，通过称量样品在水中浸泡前后的质量变化，计算水吸附率，即吸附率=（浸泡后质量–浸泡前质量）/浸泡前质量×100%，亲水性材料的水吸附率通常＞10%，如海绵的水吸附率可达100%左右，疏水性材料的水吸附率通常＜5%（如PTFE的水吸附率＜0.1%）。
该方法操作简单，适用于快速定性判断，但无法精准量化亲疏水性等级，需与接触角测试结合使用。
图7 25°C下水的吸附等温线。DOI：10.1088/1757-899X/272/1/012019
微观结构表征是揭示亲疏水性成因的关键手段，常用仪器包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）。
通过SEM可观察样品表面的微纳结构，如荷叶的乳突结构、超亲水涂层的多孔结构，明确粗糙度对亲疏水性的影响；通过AFM可定量测量表面粗糙度参数（如均方根粗糙度RMS），结合Wenzel模型分析粗糙度与接触角的关联。
此外，X射线光电子能谱（XPS）可分析样品表面的元素组成与官能团类型，判断表面极性（如含氧官能团含量越高，亲水性越强），为亲疏水性的调控提供依据。
图8 莲叶的观测结果。DOI：10.1002/admi.202202044
误区一：仅以接触角数值判断亲疏水性，忽视表面状态
例如，部分材料经短期亲水改性后，接触角＜30°，但表面极性官能团易脱落，长期浸泡后接触角回升至90°以上，无法满足实际应用需求；部分超疏水材料仅通过粗糙化处理实现高接触角，但表面结构脆弱，摩擦后接触角骤降，失去超疏水性能。
判断亲疏水性时，需结合表面稳定性测试，如耐水浸泡、耐摩擦测试与微观结构SEM测试分析。
图9 接触角（θ）及其他参数定义。DOI：10.3390/colloids5010008
误区二：测试条件不规范，导致亲疏水性判断偏差
例如，液滴体积过大时，重力导致液滴变形，接触角测量值偏低，导致亲水材料误判为更亲水，疏水材料误判为亲水；样品表面存在油污时，接触角异常增大，亲水材料误判为疏水；环境湿度＞80%时，水分子易在样品表面吸附，导致超疏水材料接触角下降。
严格规范测试条件：液滴体积控制在1~3μL，采用去离子水；样品测试前经超声清洗、60℃真空干燥2h；测试环境温度25℃；同一样品至少测试5个不同区域，取平均值。
误区三：亲疏水性调控盲目追求极端值，忽视实际功能需求
例如，部分超亲水材料通过过度多孔化实现极低接触角，但材料的力学强度显著下降，无法应用于承重场景；部分超疏水材料通过贵金属修饰实现高接触角，成本过高，无法规模化生产。
如日常防水涂层，接触角120°~130°即可满足需求，无需追求超疏水（可降低改性成本）；医用导管表面接触角30°~40°即可减少摩擦损伤，过度亲水可能导致蛋白质吸附增加。
图10 水滴在不同粗糙度表面的状态。DOI：10.1002/admi.202202044
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