超疏水涂料.docx

涂料與涂裝原理結課報告學 號 061120132 姓 名 胡建軍 主 題 超疏水涂料 指導老師 鄭興順老師 近年來，隨著人們對生活質量要求的不斷提高以及環(huán)保和節(jié)能意識的不斷增強，具有自清潔功能的表面得到了迅速的發(fā)展。自清潔表面是指表面的污染物或灰塵在重力或雨水、風力等外力作用下能夠自動脫落或被降解的一種表面。超疏水自清潔表面由于其獨特的性能，在現(xiàn)實中的應用非常廣泛，如建筑物窗玻璃、運輸工具窗玻璃、擋風玻璃、后視鏡、浴室鏡子、眼鏡鏡片、測量儀器的玻璃罩等，當潮濕空氣冷凝時，水滴在表面滾落，使表面維持高度的透明性，給車輛的安全行駛及工作效率的提高帶來了極大的便利，具有廣闊的應用前景。然后，我們將超疏水材料的應用拓展到了油水分離領域中，利用無電位沉積方法和溶液浸泡方法制備了兩種同時具有超疏水和超親油性質的銅網，相對于傳統(tǒng)的分液漏斗而言，我們所制備的銅網分離效率更高，儀器更為簡單。最后，我們利用原電池的方法制備了超疏水金屬材料并將其應用到防腐蝕領域中，這樣我們就將抗腐蝕材料的制備和電能的產生有機地結合在了一起，具有重要的理論意義和實際價值。人們通常用液體在材料表面的接觸角來表征材料表面的潤濕性。按照水滴在材料表面接觸角大小的不同，我們可以將材料進行如下分類: 當接觸角小于 90 時，我們認為這種材料是親水材料；如果水滴在材料表面的接觸角小于5，那么這種材料是超親水材料，例如經濃硫酸和雙氧水（體積比為 7：3）處理過的硅片，水滴在它的上面會立刻鋪展開，展示出超親水的性質；當材料表面接觸角大于 90 時，我們認為這種材料是疏水材料；如果材料的表面接觸角大于 150，那么我們認為這種材料是超疏水材料，水滴不能在其表面穩(wěn)定停留，極易滑落。超疏水涂料必須同時具備三方面的特性：具有低表面能的疏水性表面；合適的表面粗糙度；低滑動角。關于潤濕性的理論研究 ，在理想固體表面上，可以用楊氏方程來表述。一般認為，接觸角越大其表面疏水性也就越高。但是，實驗中發(fā)現(xiàn)，在自身重力的作用下，液滴在傾斜表面上的接觸角將會發(fā)生改變，存在接觸角滯后的現(xiàn)象。接觸角滯后是指固體表面的前進接觸角與后退接觸角之間的差異。前進接觸角是指在增加液滴體積時，液滴與固體表面接觸的三相線將要移動而沒有移動時的接觸角，后退接觸角是指縮小液滴體積時液滴與固體表面接觸的三相線將要移動而未移動時的接觸角。前進角總是大于后退角，兩者的差值稱為接觸角滯后值。接觸角滯后的程度代表了液滴從固體表面脫離的難易程度。接觸角滯后越小，說明液滴越容易從固體表面滾落。從以上理論分析可知，疏水涂料的疏水性離不開低表面能材料，超疏水性的實現(xiàn)離不開特定的表面粗糙度的疏水表面。有機硅/氟材料是最重要最常用的低表面能疏水材料，聚二甲基硅氧烷的表面能為2122 mN/m，全氟烷則更小，為10 mN/m，比一般的有機化合物都小，遠比水的表面能(72.8 mN/m)小，具有顯著的疏水性。氟元素的電負性最強，原子半徑很小，原子極化率很低，有機氟化合物中CF鍵鍵能大，氟原子沿著碳鍵作螺線形分布，具有屏蔽效應，分子間作用力小，表面能很低。氟碳涂料中PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA等是常用的耐候絕緣疏水涂料。也有人用PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蠟或其它合成含氟聚合物等來制作超疏水涂膜。但氟樹脂與基體表面存在弱界面層，與金屬等基體結合強度差，需結合其它技術提高其對底材的粘附力，應用范圍有明顯限制。以后氟聚合物涂料發(fā)展為含氟聚氨酯、含氟丙烯酸酯、含氟環(huán)氧樹脂等具有功能性的高耐候性建筑涂料。這些氟聚合物涂料在成膜過程中含氟組分或側基向涂料表面遷移，排列在涂層的表面，且其分子鏈上的氟原子在涂層/空氣界面處定向排列，獲得較高的表面疏水性。人們關于粗糙度對固體表面潤濕性特別是水接觸角的影響工作做了很多深入的研究，疏水涂料要達到超疏水性，必須使用特定的工藝技術來提高固體表面的粗糙度。目前為止主要通過提高固體表面粗糙度來增強疏水性表面的方法有模板法、溶膠-凝膠法、層層自組裝法、化學沉積、蝕刻、相分離等方法。固體表面的納米結構對疏水材料的顯著的荷葉疏水性能起到重要的作用，它可以產生很高的接觸角。溶膠-凝膠法以分子種類如硅、鈦、錫、鋁或鋯的烷氧化物為前驅體，與無機化合物等通過溶液、溶膠、凝膠過程而固化制備出立體網狀結構的納米或納米雜化材料，是一種很有前途的方法，在發(fā)達國家的疏水涂料研究中占有重要的地位。有機硅是此法中常使用的一類材料，可用具有較強疏水側鏈的前驅體如長鏈硅烷偶聯(lián)劑、含氟烷基三乙氧基硅烷與其它前驅體或無機納米材料通過溶膠-凝膠過程直接制備出疏水或超疏水涂膜。疏水性和透明性常是一對競爭的特性，在粗糙表面上尤為突出。疏水性要求材料表面具有低的表面能，或使用低表面能的材料處理固體表面。當涂膜厚度較大時，鍵接在分子中低表面能的基團或低表面能的添加劑在涂料成膜過程中向空氣一側遷移，形成局部的濃度梯度分布或相分離，阻止光的透過。側鏈含有有機硅和含氟的基團，基團本身表面能低于主鏈的碳氫基團，在涂膜過程中向涂膜空氣界面一側遷移，產生局部濃度的不均勻性，出現(xiàn)顯著的表面疏水性的同時對光的透過有不同程度的影響，特別是側鏈基團長度較長或體積較大時，涂膜呈不同程度的光澤，可出現(xiàn)光亮、亞光或者完全不透明的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在涂膜較厚時尤為明顯。固體的性能需用涂料表面處理才能得到有效防護，疏水涂料可隔絕環(huán)境中的水、灰塵、酸、堿、鹽、微生物及其代謝產物、生活污染物等腐蝕介質，防止腐蝕介質滲透到金屬、玻璃、混凝土、陶瓷等固體表面而造成腐蝕，以及降低光和其它微粒子對固體性能的影響。疏水涂料在金屬防腐蝕、陶瓷玻璃防污、水泥混凝土防水抗?jié)B、自清潔涂料等方面發(fā)揮了巨大作用，大大延長了材料的使用壽命。特別是新型的硅氟納米復合材料疏水技術，不僅具有顯著的疏水防污效果，還提供了耐候、耐久和耐劃傷性的涂層。而超疏水技術在紡織、基因傳輸、微流體以及無損傷輸送、光電子微器件等高新技術領域中顯示的高性能和誘人的應用前景，更使疏水涂料獲得全新的生命力?？偠灾?