带你了解超疏水材料的技术、原理及制备方法

发布:防静电pc板 浏览:794次 发布时间:2020-8-28

近年来,超疏水材料以其优越的性能,超强的疏水能力,在家电行业的应用前景越来越广泛,引起了该领域专家的极大关注。这里介绍了超疏水材料超疏水性和自清洁原理,介绍了几种常用的超疏水表面的制备方法,分析了影响超疏水表面疏水性能的主要因素并探索克服不利因素的方法,以期为学习、探讨。

超疏水表面最初的灵感来源于”荷叶效应”。20世纪90年代,德国植物学家波恩大学Barthlott等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。

超疏水性是一种特殊的润湿性,一般指水滴在固体表面呈球状,接触角大于150度,滚动角小于10度。材料表面能(材料表面分子比内部分子多出的能量)越低,疏水性越好,且当低表面能材料具有微观粗糙结构时,水滴与材料之间会形成一层空气膜,阻碍水对材料表面的润湿,从而形成超疏水状态。

超疏水表面特征

自然界中的很多植物叶片,如荷叶、粽叶、水稻叶、花生叶等,都具有超疏水能力。通过扫描电镜观察(如图左),这些叶片的表面并不光滑,而是分布着很多微纳米凸起。通过图(右)可以看出,直径约为125 nm的纳米枝状结构分布于直径约为7 μm 的微米级的乳突结构上,形成分级构造。同时,叶面还覆盖有一薄层蜡状物,其表面能很低。

当雨水落在叶片表面时,凸起间隙中的空气会被锁定,雨水与叶面之间形成一层薄空气层,这样雨水只与凸起尖端形成点接触,表面黏附力很弱。因此水在表面张力作用下可缩聚成球状,并能在叶片表面随意滚动。而灰尘与叶片也为点接触,表面黏附力很小,很容易被水珠带走。在分级构造和蜡状物的联合作用下,叶片得以实现超疏水性和自清洁功效

除了植物之外,自然界中的许多动物体表面也具有很强的疏水和自清洁功能,如鸭子羽毛、蝴蝶翅膀、水上蜘蛛、水黾、蝉等。因为水滴在超疏水材料表面滚落时可带走污染物,使材料表面保持清洁。因此超疏水材料具有防水、防腐蚀、防冰以及防附着等多重特性。

超疏水现象视频参考

超疏水理论

静态接触角是衡量固体表面疏水性的重要指标之一,它是指在固、液、气三相交界处,由气/ 液界面穿过液体内部至固/ 液界面所经过的角度,是润湿程度的量度,用α 表示,如图(左)。90°的α值是判断固体表面亲水与疏水的临界值:

1)α<90°,固体表面是亲水性的;

2)α>90°,固体表面是疏水性的;

3)特别地,当θ>150°时,水滴很难润湿固体。

而且容易在其表面随意滚动,这样的表面被称为超疏水表面,具有自清洁性能的超疏水表面是近年来的科研热点。接触角是表征固体表面疏水性能的静态指标,除此之外,衡量固体表面的疏水性能的动态指标是滚动角,其数值越小,表明疏水性越好,相应的自清洁功能越优异。

超疏水表面的制备方法

了解疏水材料的制备是利用它的基础,要提高疏水材料各方面的性能,必须深入了解疏水材料的制备方法,一种方法往往不能制备出优异的疏水材料。更多的是需要其他一种或几种方法的辅助。结合其它方法的特性以及化学性能。

目前较多使用的有相分离法、刻蚀法、淋/喷涂法、电火花微加工技术、模板法、电镀法、生物仿生法、溶胶-凝胶法等。

总结

超疏水材料的应用范围相当广泛,在各个方面已有一定的发展,其应用前景非常广阔。然而由于受目前技术及开发成本等限制,实际产业化及商品化的还不多。

从理论角度考虑,超疏水表面结构的几何形貌、尺寸大小、官能团影响等研究还有待于继续深入。

在制备过程中,用到的低表面能物质都比较昂贵,多为含氟或硅烷化合物。

在技术方面,主要是表面涂层的耐用性及耐老化问题,许多超疏水结构因不牢固,较易被破坏而丧失超疏水性。

因此,在材料的选择、制备工艺及后处理上,还需进一步深入研究解决。如何使性能降低或被破坏后的超疏水表面自动恢复或重新生成超疏水表面的研究将是此领域的重要研究方向。

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