透明超疏水疏油涂层及的研究

2017-03-16 15:05:33 防雾剂,织物疏水疏油整理剂 阅读

植物叶表面的自清洁效应,以荷叶为代表,成为“荷叶效应”。这种自清洁的特征是由粗糙表面上微纳米级复合结构的乳突以及表面疏水的蜡状物质的存在共同引起的,表现为:(1)、表面具有超疏水性,与水接触角大于150℃;(2)、很强的抗污染能力,即表面污染物如灰尘等可以被滚落的水滴带走而不留下任何痕迹。近年来,由于自清洁涂层具有节水、节能、环保等优势,自清洁层的制备和性能的研究越来越受到人们的广泛关注,是目前材料学研究的热点之一。

 固态表面的基本性质

(1)、表面张力

 表面张力是指产生单位长度新表面所需的力。固态的表面张力很难测得定值,因为即使是同一晶体,由于处于表面上的晶面不同,其表面张力也会不同,更何况表面微观形态复杂多变,晶格缺陷存在的程度也不相同。通常最简单的测量方法是用解离单晶时所消耗的功能即断裂来表示。也有人提出用溶解热的方法求出,即由晶体和其粉末的溶解热的差别求出表面张力。

(2)、表面自由能

 固体原子很难移动,固体表面不像液体那样易于伸缩或变形,其原子结构基本上取决于材料的制造加工过程。表面自由能和表面张力是从不同的角度反映物质表面层分子受力不均衡的特性。表面能是指增加单位表面所需做的可逆功,严格说表面能是指表面所具有的内能,内能的含义很广泛,既包括原子的动能,又包括原子间的位能以及原子核及电子的动能和势能等,实际上表面内能的绝对值是无法测量的,可以测量到的仅是当物质状态改变时。

(3)、表面的润湿

   润湿通常是指固体表面上的气体被液体取代的过程。从热力学角度看,当固体和液体接触后,体系表面自由降低的现象叫润湿。接触角是指将液体滴在固体表面,液体并不完全展开而在固体表面形成的一个角度,接触角的定义是指从固/液/气三相交叉作气液界面的切线,此切线与固液交界线之间的夹角就是接触角。接触角又称润湿角,它是衡量界面张力的标志,也是判定物质疏水性能的重要因素之一。

   表面化学结构对润湿性能的影响

   由于有机物表面润湿性能是由固态表面原子及其堆积态所决定,与其内部组成及分子排布无关,因此,通过控制固态表面的化学组成,降低固体的表面自由能,可以提高固体表面的疏油性。典型的低表面能材料是有机硅和氟树脂以及相应的改性树脂。

   研究人员利用含氟高分子材料支链的羟基与含环氧端基不同链长硅烷材料接枝,制备疏水材料,研究证实水滴的滑落倾角随硅烷链长的增加而减少,液滴越大越利其滑落。

    由此可见,膜的疏水特性与表面的化学成分的组成和这些成分在表面聚集形式有直接的关系。

    表面粗糙度对润湿性能的影响

真实表面的润湿情况远比理想假设的表面复杂。造成这种复杂情况的原因主要在于非理想表面既可能是粗糙的,也可能存在化学成分的不一致。因此,对于真实表面,表面的润湿性能由表面的化学成分以及表面的粗糙共同决定。但仅仅改变表面化学成分,使疏水能力提高的方法存在限度,尤其是对于高表面能的亲水表面,更加困难。若想提高表面的疏水性能,需要从另外一条途径——改变表面形貌入手。

固体表面的浸润性由表面化学组成和表面粗糙度共同决定。依据荷叶效应,超疏水表面可以通过两种方法来制备:一种方法是利用疏水材料来构建表面粗糙结构;另一种方法是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。制备超疏水表面的重点是有效构筑粗糙表面结构及进行表面化学修饰。低表面能物质是疏水性的基本条件,表面微细结构是显著提高其疏水性能的关键因素。

自清洁涂层的应用

    1、耐腐蚀性能

    PH值的全范围内都可表现超疏水性的材料具有更为广泛的应用前景。对于工程材料来说,对水或其他的腐蚀性液滴的超疏行为可以大大加强它们的耐腐蚀能力,延长其在苛刻的腐蚀环境下的使用寿命。尤其对于海洋船舶工业来说,制备出具有超疏水能力的抗腐蚀能力的工程合金材料将会产生非常重要及深远的意义。

2、光学性能

对于建筑幕墙,眼镜,汽车车窗玻璃等产品,光学透明性是一项非常特别而又重要的性质,制备透明的超疏水表面引起了材料工作者的极大兴趣。但是,固体表面的粗糙度对疏水性和透明性的影响却是相互矛盾的。增加表面粗糙度可以增加疏水性,但透明性却会因光线的漫反射而降低。因此,控制表面的粗糙度到一个合适的水平是满足两方面要求的关键点。

3、高电导率

若是固体表面对液滴具有高接触角和小的接触面积,那么就意味着有着低的滚落角和小的黏附力。但是,最近的研究表面在有些情况下这样的结论并不成立。高黏附力的超疏水表面有望在微量分析取样中用于获取或者转移液滴。

疏水疏油

总结

采用喷涂的方法,以氨基丙烯酸树脂,与SiO2纳米粒子复合制成悬浮液,先喷涂在基材上,再喷上一薄层氟硅烷溶液,制得透明性好、结合力强以及硬度高的超疏水疏油涂层,具备自清洁特性。纳米SiO2用量对调控涂层的粗糙度和透过率起到关键作用,添加15 wt%的SiO2涂层效果最好。本方法简单易行,不受基材性质和形状的限制,可直接应用于制备复杂工件的表面涂层。



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