亲水性与疏水性：从分子到UV/EB固化
发布时间：
2025-08-17
一滴水落在荷叶上，如珍珠般滚落；而滴在玻璃上，却迅速摊开浸润。这日常生活中常见的现象，背后隐藏着物质表面与水分子的“亲密对话”——亲水性与疏水性。理解这对“孪生”性质，是解锁从细胞膜功能到高科技涂层设计的关键密码。
1) 定义
亲水性： 指材料或化学基团与水发生有利相互作用的倾向 。亲水性表面吸引水，水滴会铺展（接触角低）。亲水性分子则倾向于溶解或在水中溶胀 。
疏水性： 指材料或化学基团规避水的倾向 。疏水性表面排斥水，水滴会形成水珠（接触角高）。疏水性分子在水中的溶解度较差 。
图1： 概念示意图显示了水滴在两种平面上的情况 。左侧，水滴铺展，接触角约为20°（亲水性）。右侧，水滴形成水珠，接触角约为110°（疏水性）。
2) 作用机制
氢键和极性： 水是高极性的，可以形成氢键 。含有氢键供体（如-OH，-NH）或受体（如C=O，醚O）的分子与水强烈相互作用，从而表现出亲水性 。
疏水效应： 非极性表面会破坏水的氢键网络 。水通过将非极性部分聚集在一起来最小化接触，宏观表现为水滴形成水珠 。
界面能平衡： 润湿由杨氏方程（Young's equation）控制：γSV=γSL+γLVcosθ 。较低的固-液界面张力（γSL）或较低的液体表面张力会促进铺展（接触角θ更小）。
形貌/粗糙度： 微纳米级的粗糙度可以放大固有的润湿特性 。例如，粗糙的亲水表面会变得超亲水 。粗糙的疏水表面（加上低表面能化学物质）可以变为超疏水（Cassie–Baxter态）。
3) 结构-性能关系
亲水性/疏水性并非二元属性，而是一个连续的谱系，可以通过官能团、链长/支化和共聚物组成来调节 。
在交联网络中，表面处的片段分布（固化过程中的迁移）在很大程度上决定了测得的接触角 。
结构特征 | 典型示例 | 对水相互作用的影响 | 配方师注意事项 |
极性羰基、醚、羟基 | –C(=O)–O– (酯), –OH, –O– | 增加偶极/氢键→更亲水 | 提高吸水性；改善对极性基材（玻璃、金属）的附着力 |
离子基团 | 羧酸盐、季铵盐 | 强烈吸水→非常亲水 | 可引起溶胀；在水性/分散体系中有用 |
长烷基链 | C8–C18侧链 | 大非极性区域→更疏水 | 增强耐水性、滑爽性；可能降低对极性表面的附着力 |
氟化/硅氧烷片段 | –CF₂–, –CF₃; –Si–O– | 超低表面能→强疏水/疏油 | 优异的脱模/抗污；有迁移和层间附着力问题的风险 |
羟基化丙烯酸酯 | HEMA, HEA | 亲水性活性稀释剂 | 改善颜料润湿/附着力；增加粘度和吸水性 |
庞大/芳香族核心 | 苯乙烯类、双酚环氧 | 适度极性+刚性 | 平衡润湿和硬度；通常在使用偶联剂后对玻璃有良好的附着力 |
4) （甲基）丙烯酸酯：亲疏水性调控与UV/EB固化应用
（甲基）丙烯酸酯单体（丙烯酸酯 AA 和甲基丙烯酸酯 MMA 等）是光固化技术（UV/EB Curing）的核心原料。通过选择不同的酯基侧链（R），可以精确调控单体的亲疏水性，从而赋予最终固化涂层所需的性能。
（甲基）丙烯酸酯单体结构通式：
CH₂=CR¹-COOR²
R¹ = H (丙烯酸酯) 或 CH₃ (甲基丙烯酸酯)
R² = 酯基侧链（亲疏水性调控的关键！）
酯基侧链 (R²) 对亲疏水性的影响：
酯基侧链 (R²) 类型 | 代表性单体 | 亲疏水性 | 主要影响 | 典型应用场景 (UV/EB 固化) |
短链烷基/含羟基烷基 | 甲基丙烯酸羟乙酯 (HEMA) | 强亲水 | 高表面能，易润湿基材 | 水性涂料、油墨；粘合剂；生物相容涂层 |
中等长度烷基 | 丙烯酸乙酯 (EA) | 中等 | 平衡柔韧性与润湿性 | 通用型涂料、粘合剂 |
| 丙烯酸丁酯 (BA) |
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| 甲基丙烯酸甲酯 (MMA) | 略疏水 | 硬度高，耐候性好 | 硬质涂层、塑料涂料 |
长链烷基 | 丙烯酸月桂酯 (LA) | 疏水 | 降低表面能，增加疏水性 | 防水涂层；防污涂层；低迁移性配方 |
| 丙烯酸十八酯 (SA) |
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含氟/硅烷基 | 丙烯酸三氟乙酯 | 超疏水/疏油 | 极低表面能，优异拒水拒油性 | 高端防涂鸦涂层；自清洁表面；超疏水涂层 |
| 丙烯酸硅烷酯 |
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芳香环 | 丙烯酸苯酯 | 疏水 | 增加硬度、刚性、耐热性 | 耐高温涂层；高硬度面漆 |
（表格说明：此表总结了不同酯基侧链对（甲基）丙烯酸酯单体亲疏水性的影响及其在UV/EB固化中的典型应用。）
在UV/EB固化配方设计中的应用策略：
调节润湿性与附着力：
对难润湿的基材（如聚烯烃塑料 PP/PE），加入强亲水性单体（如少量丙烯酸 AA 或 HEMA）可显著提高配方对该基材的润湿能力，是提升涂层附着力的关键。
对金属、玻璃等高能表面，需避免过度收缩应力导致附着力差，亲水性单体也有助于改善。
控制表面性能（防水/防污/自清洁）：
需要疏水性或超疏水性表面时（如户外木器漆防水、建筑外墙防污），配方中需大量使用长链烷基单体（如 LA, SA）或含氟/硅单体。它们迁移到涂层表面，降低表面能。
协同效应： 长链单体常与能促进表面富集的添加剂（如有机硅流平剂、氟碳表面活性剂）配合使用，优化疏水效果。
影响涂层均一性与相容性：
配方中单体的亲疏水性差异过大会导致相容性问题（浑浊、分相）。需精心选择溶解度参数（SP值）相近的单体或使用合适的溶剂/分散介质（在水性UV中尤为重要）。
水性UV固化： 亲水性单体（如 HEMA, AA）对维持树脂在水中的稳定分散至关重要。固化后，疏水性单体（如长链酯）则贡献耐水性。
调控固化动力学与膜性能：
亲水性单体（尤其含羟基 HEMA）可能参与氢键，略微影响自由基活动性，有时需调整光引发剂体系。
疏水性长链单体通常提供更好的链段活动性，增加涂层柔韧性；而亲水性单体或刚性单体（如 MMA）则提供硬度。
结语
亲水性与疏水性，这对看似简单的性质，实则是分子世界与水分子“对话”的微观语言，其奥秘深藏于分子结构与界面作用力之中。从荷叶的“出淤泥而不染”，到细胞膜的精妙分隔，再到现代（甲基）丙烯酸酯基 UV/EB 固化技术中涂层性能的精准剪裁，对亲疏水性的理解和掌控，始终是连接基础科学与尖端应用的核心桥梁。未来，随着对超润湿界面、仿生材料和智能响应表面的深入研究，水与物质的这场“密语”将继续引领材料科学的创新浪潮。
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