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近年來,納米技術(shù)超疏水原理的自清潔表面涂層在現(xiàn)實中的應(yīng)用非常廣泛?;诔杷淼淖郧鍧嵄砻嬗捎谄洫毺氐谋砻嫖⒂^結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的超疏水性能,使雨水、冰雪等難以在其表面附著,因而在建筑玻璃、汽車和飛機擋風(fēng)玻璃、衛(wèi)星天線、高壓電線,甚至機車和飛機涂裝等方面具有重要應(yīng)用前景。
納米技術(shù)表面涂層自潔功能
如果建筑物的外墻、露天的廣告牌等表面像荷葉一樣,就可以保持清潔。馬達(dá)等微小部件可以防止油污,防油攀爬,汽車的擋風(fēng)玻璃不再總是落滿灰塵和油污微顆粒,電子數(shù)碼產(chǎn)品不怕意外落入水中而損壞,織物不會被輕易染上污垢。
納米技術(shù)表面涂層減阻功能
船只等在水面航行時需要消耗很多的能源來克服行進中的摩擦阻力,對于水下航行體如潛艇等甚至可達(dá)到80%;
而對于運輸管道如輸油(水)管道,其能量幾乎全部被用來克服流固表面的摩擦阻力。
隨著微機電的發(fā)展, 機構(gòu)尺度越來越小,固液界面中的摩擦力相對越來越大,如微通道流等摩擦阻力問題已成為相關(guān)器件發(fā)展的一個重要的制約因素。
因此盡量減少表面摩擦阻力是提高航速和節(jié)約能源的主要途徑。
近年來利用超疏水表面減阻的研究越來越受研究者的重視。如利用超疏水硅表面進行減阻研究中發(fā)現(xiàn),減阻可達(dá)30%-40%。利用改性硅橡膠和聚氨酯樹脂為主,添加低表面能無機填料或有機填料,在制成的雙組分涂料的疏水表面減阻的實驗中發(fā)現(xiàn),在相對較低的流速時,其最大表面減阻可達(dá)30%,但隨著流速的增加這種減阻效果下降,原因歸于表面粗糙度的影響。目前,有關(guān)這方面的研究有待進一步深入。
納米技術(shù)超疏水涂層研究進展
1.超疏水表面自清潔原理
超疏水表面的自清潔原理是基于“荷葉效應(yīng)”。20世紀(jì)90 年代,德國植物學(xué)家波恩大學(xué)Barthlott等[1-2]揭示了荷葉表面的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結(jié)構(gòu),荷葉表面具有微米級的乳突,乳突上有納米級的蠟晶物質(zhì),這種微-納米級的粗糙結(jié)構(gòu)可以大幅度提高水滴在其上的接觸角,導(dǎo)致水滴極易滾落。水滴在超疏水表面上的運動是一個復(fù)雜的物理現(xiàn)象,在自清潔過程中起到了一個至關(guān)重要的作用:水滴在表面滾動時會帶走表面的污染物或灰塵,從而達(dá)到自清潔的效果。
2.常見超疏水表面制備現(xiàn)狀
人工制備超疏水表面雖然時間不長,但發(fā)展特別迅速,有效的制備方法也越來越多,主要有納米二氧化硅法、化學(xué)沉積與電沉積法、溶膠-凝膠法、模板法、靜電紡絲法、相分離與自組裝法、刻蝕法、水熱法、腐蝕法等。目前人工超疏水表面主要包括超疏水薄膜表面超疏水涂層表面、超疏水金屬表面及超疏水織物等方面。
3.超疏水表面研究存在的問題
超疏水表面由于其獨特的表面性能,具有廣泛的應(yīng)用前景。目前制備超疏水表面的方法雖然很多,但仍需開發(fā)能夠經(jīng)濟、大面積制備具有持久、穩(wěn)定超疏水性能表面的方法?,F(xiàn)在該領(lǐng)域的研究重點應(yīng)集中在以下幾個方面。
(1)開發(fā)簡單經(jīng)濟、環(huán)境友好的制備方法
現(xiàn)有的大多數(shù)制備超疏水表面的方法或難以適用于大面積制備,或涉及較昂貴的低表面能物質(zhì)如含氟硅氧烷,或涉及特定的有機溶劑。為了擴大超疏水表面的應(yīng)用范圍,必須開發(fā)出簡單經(jīng)濟、環(huán)境友好的制備方法。如可將模板法和現(xiàn)有的工業(yè)上生產(chǎn)一般塑料薄膜的流延技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)適于工業(yè)化量產(chǎn)超疏水薄膜的創(chuàng)新技術(shù)。
(2)提高超疏水表面的強度和持久性
超疏水表面的自清潔原理不像TiO2 超親水表面由光催化降解和超親水性共同決定,而是由單純的超疏水物理特性決定的。因此,在長時間的戶外使用過程中,許多超疏水性表面對水的接觸角會隨戶外使用時間的延長而減小,疏水性和自潔性降低。這主要是由于空氣中的灰塵、有機污染物等在固體表面吸附聚集引起的。為了提高超疏水自清潔表面的持久性,相關(guān)研究機構(gòu)發(fā)現(xiàn),將少量的TiO2 粉體添加到超疏水性透明涂層中,能夠賦予涂層自清潔性能,并能夠使涂層在長時間的戶外使用過程中保持超疏水性。
(3)開發(fā)超雙疏表面涂層
超疏水表面一般都親油,在油性環(huán)境或長期使用中,油會在表面富集從而影響表面微結(jié)構(gòu)進而影響自清潔性能。為了提高超疏水表面的抗油性能,除了上面提到的引入TiO2 納米粒子外,還可以開發(fā)超雙疏表面。超雙疏表面是指與水和油的接觸角都很大,水和接觸角會略大于油的接觸角。實際上目前市場上如青山新材的TIS納米涂層已經(jīng)基本實現(xiàn),可以使電子產(chǎn)品PCB板表面疏水疏油,即超雙疏。
超疏水表面涂層產(chǎn)業(yè)化狀況
超疏水表面由于其廣泛的應(yīng)用前景,近年來也已成為新材料研究的熱點。產(chǎn)品經(jīng)刷涂或噴涂再或者浸涂到各種金屬、玻璃、大理石、瓷磚、塑料、紡織品、木制品等表面,數(shù)秒鐘內(nèi)就可形成堅固耐用的納米保護層,水在其上有如落在荷葉上迅速滑落,使涂層表面保持清潔。
目前超疏水表面的工業(yè)化產(chǎn)品大多是超疏水涂層,如德國的STO 公司應(yīng)用荷葉效應(yīng)原理開發(fā)了有機硅荷葉效應(yīng)乳膠漆,表面接觸角高達(dá)142°,表現(xiàn)出了優(yōu)異的自清潔能力。深圳青山新材攜手日本資深納米材料研究機構(gòu)共同研制出TIS納米防潮涂層,專門應(yīng)用于電子產(chǎn)品PCB線路板上,使PCB板具有防水、防潮、抗鹽霧腐蝕、防油污的功能,并且成功應(yīng)用到目前很受消費者歡迎的藍(lán)牙運動耳機、電子煙、智能家居產(chǎn)品、汽車控制板等產(chǎn)品上,性能遠(yuǎn)超同類型產(chǎn)品,其涂層厚度僅為2-6微米,幾乎是肉眼不可見的級別,散熱好并且不增加電子產(chǎn)品厚度,施工技術(shù)簡單并且速干,在這個電子產(chǎn)品越來越小越來越薄的時代,TIS納米涂層深受電子3C類產(chǎn)品制造商喜愛,投入市場后短期就獲得了不少上市公司的青睞;美國NANOTEX公司運用納米技術(shù)開發(fā)的Nano-care功能性面料是一種具有自清潔功能的面料,它與傳統(tǒng)的防護涂層織物相比,耐久性更加好,織物保持了柔軟的手感和良好的透氣性;瑞士Schoeller Textil AG 公司則推出了新一代的Nano-Sphere 涂層技術(shù),該Nano-Sphere 涂層在織物表面形成一層極細(xì)的納米微粒結(jié)構(gòu),改變水或者其它污物(油、番茄醬、咖啡、紅酒、蜂蜜等)和織物表面的接觸面積,使水或者污物會從涂層表面滑落,從而達(dá)到防水防污的效果。若有殘留污物只需要少量水就可以沖洗干凈(可以低溫水洗),并且經(jīng)過多次水洗之后,依然有效;另外,德國BASF 公司也成功將仿荷葉效應(yīng)MincorTX TT 技術(shù)運用到紡織品上,于2006 年成功開發(fā)出了超疏水自清潔聚酯雨篷,進一步擴大了超疏水自清潔紡織品的應(yīng)用范圍。在超疏水薄膜和超疏水金屬表面方面,雖然許多制備方法已經(jīng)具備了量產(chǎn)的可能,但尚未見有商業(yè)化的公開報道。
結(jié)束語
超疏水自清潔涂層雖已有工業(yè)化應(yīng)用,但是超疏水性能的穩(wěn)定性和持久性還有待提高,特別是耐水壓沖擊性能還有待研究,以防止經(jīng)暴雨沖刷后破壞表面結(jié)構(gòu)(如將微塵嵌入微納坑內(nèi)),降低超疏水性能。另外,現(xiàn)有的超疏水涂層功能比較單一,如果能在其中摻雜其它功能性粒子,則可大大擴大超疏水涂層的應(yīng)用范圍。
參考文獻(xiàn)
1.基于無機納米結(jié)構(gòu)調(diào)控材料表面潤濕性(學(xué)位論文)作者:郭翠
2.基于超疏水原理的自清潔表面研究進展及產(chǎn)業(yè)化狀況 作者:鄭建勇
3.超疏水表面潤濕性與流動減阻機理研究(學(xué)位論文)作者:呂田上海交通大學(xué)
4.從自然到仿生的超疏水納米界面材料 作者:江雷