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纳米技术超疏水自洁表面涂层的应用与研究进展

发布时间:2016-10-13 10:10:50

       近年来,纳米技术超疏水原理的自清洁表面涂层在现实中的应用非常广泛。基于超疏水原理的自清洁表面由于其独特的表面微观结构和优异的超疏水性能,使雨水、冰雪等难以在其表面附着,因而在建筑玻璃、汽车和飞机挡风玻璃、卫星天线、高压电线,甚至机车和飞机涂装等方面具有重要应用前景。

超疏水纳米涂层.jpg

纳米技术表面涂层自洁功能

如果建筑物的外墙、露天的广告牌等表面像荷叶一样,就可以保持清洁。马达等微小部件可以防止油污,防油攀爬,汽车的挡风玻璃不再总是落满灰尘和油污微颗粒,电子数码产品不怕意外落入水中而损坏,织物不会被轻易染上污垢。

纺织物表面超疏水涂层.png


纳米技术表面涂层减阻功能

船只等在水面航行时需要消耗很多的能源来克服行进中的摩擦阻力,对于水下航行体如潜艇等甚至可达到80%;

而对于运输管道如输油(水)管道,其能量几乎全部被用来克服流固表面的摩擦阻力。

随着微机电的发展, 机构尺度越来越小,固液界面中的摩擦力相对越来越大,如微通道流等摩擦阻力问题已成为相关器件发展的一个重要的制约因素。

因此尽量减少表面摩擦阻力是提高航速和节约能源的主要途径。

近年来利用超疏水表面减阻的研究越来越受研究者的重视。如利用超疏水硅表面进行减阻研究中发现,减阻可达30%-40%。利用改性硅橡胶和聚氨酯树脂为主,添加低表面能无机填料或有机填料,在制成的双组分涂料的疏水表面减阻的实验中发现,在相对较低的流速时,其最大表面减阻可达30%,但随着流速的增加这种减阻效果下降,原因归于表面粗糙度的影响。目前,有关这方面的研究有待进一步深入。

超疏水涂层


纳米技术超疏水涂层研究进展

1.超疏水表面自清洁原理

    超疏水表面的自清洁原理是基于“荷叶效应”。20世纪90 年代,德国植物学家波恩大学Barthlott等[1-2]揭示了荷叶表面的结构,发现荷叶的“自洁性”源于其表面的微纳结构,荷叶表面具有微米级的乳突,乳突上有纳米级的蜡晶物质,这种微-纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角,导致水滴极易滚落。水滴在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象,在自清洁过程中起到了一个至关重要的作用:水滴在表面滚动时会带走表面的污染物或灰尘,从而达到自清洁的效果。

2.常见超疏水表面制备现状

    人工制备超疏水表面虽然时间不长,但发展特别迅速,有效的制备方法也越来越多,主要有纳米二氧化硅法、化学沉积与电沉积法、溶胶-凝胶法、模板法、静电纺丝法、相分离与自组装法、刻蚀法、水热法、腐蚀法等。目前人工超疏水表面主要包括超疏水薄膜表面超疏水涂层表面、超疏水金属表面及超疏水织物等方面。 

3.超疏水表面研究存在的问题

    超疏水表面由于其独特的表面性能,具有广泛的应用前景。目前制备超疏水表面的方法虽然很多,但仍需开发能够经济、大面积制备具有持久、稳定超疏水性能表面的方法。现在该领域的研究重点应集中在以下几个方面。 

 (1)开发简单经济、环境友好的制备方法 

     现有的大多数制备超疏水表面的方法或难以适用于大面积制备,或涉及较昂贵的低表面能物质如含氟硅氧烷,或涉及特定的有机溶剂。为了扩大超疏水表面的应用范围,必须开发出简单经济、环境友好的制备方法。如可将模板法和现有的工业上生产一般塑料薄膜的流延技术相结合,开发适于工业化量产超疏水薄膜的创新技术。

 (2)提高超疏水表面的强度和持久性 

    超疏水表面的自清洁原理不像TiO2 超亲水表面由光催化降解和超亲水性共同决定,而是由单纯的超疏水物理特性决定的。因此,在长时间的户外使用过程中,许多超疏水性表面对水的接触角会随户外使用时间的延长而减小,疏水性和自洁性降低。这主要是由于空气中的灰尘、有机污染物等在固体表面吸附聚集引起的。为了提高超疏水自清洁表面的持久性,相关研究机构发现,将少量的TiO2 粉体添加到超疏水性透明涂层中,能够赋予涂层自清洁性能,并能够使涂层在长时间的户外使用过程中保持超疏水性。

 (3)开发超双疏表面涂层

    超疏水表面一般都亲油,在油性环境或长期使用中,油会在表面富集从而影响表面微结构进而影响自清洁性能。为了提高超疏水表面的抗油性能,除了上面提到的引入TiO2 纳米粒子外,还可以开发超双疏表面。超双疏表面是指与水和油的接触角都很大,水和接触角会略大于油的接触角。实际上目前市场上如青山新材的TIS纳米涂层已经基本实现,可以使电子产品PCB板表面疏水疏油,即超双疏。


超疏水表面涂层产业化状况

    超疏水表面由于其广泛的应用前景,近年来也已成为新材料研究的热点。产品经刷涂或喷涂再或者浸涂到各种金属、玻璃、大理石、瓷砖、塑料、纺织品、木制品等表面,数秒钟内就可形成坚固耐用的纳米保护层,水在其上有如落在荷叶上迅速滑落,使涂层表面保持清洁。

金属表面涂层.png


p-1.jpg


    目前超疏水表面的工业化产品大多是超疏水涂层,如德国的STO 公司应用荷叶效应原理开发了有机硅荷叶效应乳胶漆,表面接触角高达142°,表现出了优异的自清洁能力。深圳青山新材携手日本资深纳米材料研究机构共同研制出TIS纳米防潮涂层,专门应用于电子产品PCB线路板上,使PCB板具有防水、防潮、抗盐雾腐蚀、防油污的功能,并且成功应用到目前很受消费者欢迎的蓝牙运动耳机、电子烟、智能家居产品、汽车控制板等产品上,性能远超同类型产品,其涂层厚度仅为2-6微米,几乎是肉眼不可见的级别,散热好并且不增加电子产品厚度,施工技术简单并且速干,在这个电子产品越来越小越来越薄的时代,TIS纳米涂层深受电子3C类产品制造商喜爱,投入市场后短期就获得了不少上市公司的青睐;美国NANOTEX公司运用纳米技术开发的Nano-care功能性面料是一种具有自清洁功能的面料,它与传统的防护涂层织物相比,耐久性更加好,织物保持了柔软的手感和良好的透气性;瑞士Schoeller Textil AG 公司则推出了新一代的Nano-Sphere 涂层技术,该Nano-Sphere 涂层在织物表面形成一层极细的纳米微粒结构,改变水或者其它污物(油、番茄酱、咖啡、红酒、蜂蜜等)和织物表面的接触面积,使水或者污物会从涂层表面滑落,从而达到防水防污的效果。若有残留污物只需要少量水就可以冲洗干净(可以低温水洗),并且经过多次水洗之后,依然有效;另外,德国BASF 公司也成功将仿荷叶效应MincorTX TT 技术运用到纺织品上,于2006 年成功开发出了超疏水自清洁聚酯雨篷,进一步扩大了超疏水自清洁纺织品的应用范围。在超疏水薄膜和超疏水金属表面方面,虽然许多制备方法已经具备了量产的可能,但尚未见有商业化的公开报道。


结束语 

     超疏水自清洁涂层虽已有工业化应用,但是超疏水性能的稳定性和持久性还有待提高,特别是耐水压冲击性能还有待研究,以防止经暴雨冲刷后破坏表面结构(如将微尘嵌入微纳坑内),降低超疏水性能。另外,现有的超疏水涂层功能比较单一,如果能在其中掺杂其它功能性粒子,则可大大扩大超疏水涂层的应用范围。


参考文献

1.基于无机纳米结构调控材料表面润湿性(学位论文)作者:郭翠

2.基于超疏水原理的自清洁表面研究进展及产业化状况  作者:郑建勇

3.超疏水表面润湿性与流动减阻机理研究(学位论文)作者:吕田上海交通大学

4.从自然到仿生的超疏水纳米界面材料  作者:江雷


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