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納米技術超疏水自潔表面涂層的應用與研究進展

發布時間:2016-10-13 10:10:50

       近年來,納米技術超疏水原理的自清潔表面涂層在現實中的應用非常廣泛?;诔杷淼淖郧鍧嵄砻嬗捎谄洫毺氐谋砻嫖⒂^結構和優異的超疏水性能,使雨水、冰雪等難以在其表面附著,因而在建筑玻璃、汽車和飛機擋風玻璃、衛星天線、高壓電線,甚至機車和飛機涂裝等方面具有重要應用前景。

超疏水納米涂層.jpg

納米技術表面涂層自潔功能

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。馬達等微小部件可以防止油污,防油攀爬,汽車的擋風玻璃不再總是落滿灰塵和油污微顆粒,電子數碼產品不怕意外落入水中而損壞,織物不會被輕易染上污垢。

紡織物表面超疏水涂層.png


納米技術表面涂層減阻功能

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。

隨著微機電的發展, 機構尺度越來越小,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器件發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現,減阻可達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現,在相對較低的流速時,其最大表面減阻可達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,有關這方面的研究有待進一步深入。

超疏水涂層


納米技術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”。20世紀90 年代,德國植物學家波恩大學Barthlott等[1-2]揭示了荷葉表面的結構,發現荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結構,荷葉表面具有微米級的乳突,乳突上有納米級的蠟晶物質,這種微-納米級的粗糙結構可以大幅度提高水滴在其上的接觸角,導致水滴極易滾落。水滴在超疏水表面上的運動是一個復雜的物理現象,在自清潔過程中起到了一個至關重要的作用:水滴在表面滾動時會帶走表面的污染物或灰塵,從而達到自清潔的效果。

2.常見超疏水表面制備現狀

    人工制備超疏水表面雖然時間不長,但發展特別迅速,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,具有廣泛的應用前景。目前制備超疏水表面的方法雖然很多,但仍需開發能夠經濟、大面積制備具有持久、穩定超疏水性能表面的方法?,F在該領域的研究重點應集中在以下幾個方面。 

 (1)開發簡單經濟、環境友好的制備方法 

     現有的大多數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用范圍,必須開發出簡單經濟、環境友好的制備方法。如可將模板法和現有的工業上生產一般塑料薄膜的流延技術相結合,開發適于工業化量產超疏水薄膜的創新技術。

 (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,相關研究機構發現,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)開發超雙疏表面涂層

    超疏水表面一般都親油,在油性環境或長期使用中,油會在表面富集從而影響表面微結構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納米涂層已經基本實現,可以使電子產品PCB板表面疏水疏油,即超雙疏。


超疏水表面涂層產業化狀況

    超疏水表面由于其廣泛的應用前景,近年來也已成為新材料研究的熱點。產品經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,數秒鐘內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。

金屬表面涂層.png


p-1.jpg


    目前超疏水表面的工業化產品大多是超疏水涂層,如德國的STO 公司應用荷葉效應原理開發了有機硅荷葉效應乳膠漆,表面接觸角高達142°,表現出了優異的自清潔能力。深圳青山新材攜手日本資深納米材料研究機構共同研制出TIS納米防潮涂層,專門應用于電子產品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,并且成功應用到目前很受消費者歡迎的藍牙運動耳機、電子煙、智能家居產品、汽車控制板等產品上,性能遠超同類型產品,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品厚度,施工技術簡單并且速干,在這個電子產品越來越小越來越薄的時代,TIS納米涂層深受電子3C類產品制造商喜愛,投入市場后短期就獲得了不少上市公司的青睞;美國NANOTEX公司運用納米技術開發的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,該Nano-Sphere 涂層在織物表面形成一層極細的納米微粒結構,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MincorTX TT 技術運用到紡織品上,于2006 年成功開發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具備了量產的可能,但尚未見有商業化的公開報道。


結束語 

     超疏水自清潔涂層雖已有工業化應用,但是超疏水性能的穩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,以防止經暴雨沖刷后破壞表面結構(如將微塵嵌入微納坑內),降低超疏水性能。另外,現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用范圍。


參考文獻

1.基于無機納米結構調控材料表面潤濕性(學位論文)作者:郭翠

2.基于超疏水原理的自清潔表面研究進展及產業化狀況  作者:鄭建勇

3.超疏水表面潤濕性與流動減阻機理研究(學位論文)作者:呂田上海交通大學

4.從自然到仿生的超疏水納米界面材料  作者:江雷


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