參賽作品資料

1、序號： 編碼： 湖北省第九屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽參 賽 作 品作品名稱： “新視野”汽車玻璃貼膜 類別：自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文 哲學(xué)社會科學(xué)類社會調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文 科技發(fā)明制作A類 R科技發(fā)明制作B類 產(chǎn)品說明書一、概述汽車貼膜（Auto foil）就是在車輛前后風(fēng)擋玻璃、側(cè)窗玻璃以及天窗上貼上一層薄膜狀物體，它是利用特殊化學(xué)手段，在汽車玻璃表面鍍上一層厚度只有幾個(gè)到十幾個(gè)納米的看不見的防護(hù)膜，是玻璃表面具有強(qiáng)烈的疏水特征，使水滴無法形成干擾人視線的不規(guī)則水膜，同時(shí)使落在玻璃表面的灰塵、油污、蟲漿很容易被清洗掉，它彌補(bǔ)了玻璃表面的細(xì)微裂紋的缺陷，能夠除去油膜、污垢，令玻璃更加光潔

2、透亮。 效果和荷葉表面相似，只有雨珠，沒有雨膜，風(fēng)吹則動(dòng)，很容易脫離玻璃表面，極大提高行車安全性。側(cè)擋和后視鏡在下雨時(shí)僅有少量雨滴粘附，可以有比較清楚的視野。同時(shí)它可以阻擋紫外線、阻隔部分熱量以及防止玻璃突然爆裂導(dǎo)致的傷人等情況發(fā)生，同時(shí)根據(jù)太陽膜的單向透視性能，達(dá)到保護(hù)個(gè)人隱私的目的。此外，它也可以減少車內(nèi)物品以及人員因紫外線照射造成的損傷，在某些層面達(dá)到節(jié)省燃油消耗的功效。二、荷葉效應(yīng)的自清潔現(xiàn)象植物學(xué)家在對植物研究的例行工作中發(fā)現(xiàn)：只有那些表面很光滑的葉子才需要清洗，而其它那些表面在顯微鏡下看起來很粗糙的葉子反而是干凈的（如荷葉疏水自潔性圖I.1）。對他們來說更值得注意的是：這些具有自潔

3、凈功能的葉子甚至可以完全抵制水，很清楚地表明自清潔效果與可潤濕性密切關(guān)聯(lián)。在顯微鏡觀察中發(fā)現(xiàn)具有拒水保潔功能的植物表面呈微凸起狀，這些微凸起大部分是由于表層的蠟質(zhì)晶體所引起的，它起到了不相同的作用，引起有效的憎水性3。進(jìn)一步說，污垢的粘附就減少了?；诒砻婀饣痛植诘姆浪参锏娘@微鏡觀察的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示了許多生物表面的自清潔機(jī)理關(guān)鍵在于表面粗糙度，降低污垢吸附和憎水性的相互依賴關(guān)系，這就是“荷葉效應(yīng)”。圖1.1 荷葉疏水自清潔性能3、 自清潔原理荷葉效應(yīng)的表面物理源于固體表面的液體行為，是粗糙的生物表面、顆粒和水之間的相互作用結(jié)果。中科院江雷等4研究發(fā)現(xiàn)荷葉表面乳突（平均直徑59µm）

4、上還存在納米結(jié)構(gòu)（124.3±3.2）nm，這種微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生超疏水和自清潔效應(yīng)的根本原因。經(jīng)過電子顯微鏡分析，蓮花的葉面是由一層極細(xì)致的表面所組成，此粗糙度為微米、納米級的細(xì)微凸?fàn)钗锉砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)與荷葉表面所存在的蠟質(zhì)，使得在尺寸上遠(yuǎn)大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等與葉面接觸時(shí)，只能與葉面上的細(xì)微凸?fàn)钗镄纬牲c(diǎn)接觸（如圖1.21、圖1.3）。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀水滴，液滴在滾動(dòng)中吸附灰塵，表面的灰塵隨著液滴滾出葉面，從而保持了葉面的潔凈，實(shí)現(xiàn)了蓮花納米表面“自潔凈”的效果。 圖1.2 荷葉的微觀結(jié)構(gòu) 圖1.3 荷葉的表面自潔性根據(jù)表面能與表面張力理論，以空

5、氣為環(huán)境媒介的固體與水的潤濕性，依賴于他們表面張力的比值（水/空氣（），水/固（）和固/空（），這些表面張力的比值決定了固體表面上的水滴的接觸角，并且它們之間的關(guān)系可由楊氏方程 （1.1）154.5°來描述。0°接觸角意味著完全親水，而180°接觸角意味著完全憎水。由楊氏方程可以看出，較大的固體更容易潤濕，相比之下在那些具有較低的固體表面，更傾向于形成高接觸角的球狀水滴。由上述可以得出：在固體表面的水滴，對固體表面有一定程度潤濕。潤濕度取決于表面擴(kuò)張所需的最低能量和由于吸附而獲得的能量之間的平衡。當(dāng)水滴與固體表面接觸時(shí)，空氣圍繞著表面蠟質(zhì)晶體，擴(kuò)大了水與空氣的接觸

6、面積，而將固/水接觸面降至最小。在這樣的表面上，水通過固體表面吸附只能獲得非常小的能量來補(bǔ)償表面擴(kuò)張，擴(kuò)張不易發(fā)生，水形成一個(gè)球狀的液滴，水滴于表層的接觸角幾乎取決于水的表面張力。沉積在蠟質(zhì)表面的微粒在大多數(shù)包含比碳?xì)浠衔锏南炠|(zhì)成分更容易潤濕的物質(zhì)。另外，微粒比固體表面的微結(jié)構(gòu)的尺寸要大，僅吸附在表面微結(jié)構(gòu)的頂端，使微粒與固體表面的接觸面積減至最小。當(dāng)水珠從葉子表面滾落，由于微粒與固體表面之間的接觸面積很小，通過固體表面吸附獲得的能量，不能克服微粒和水珠之間的吸附，使微粒從水滴的表面轉(zhuǎn)移。微粒被牢牢地控制在水滴上，隨著水滴從葉面上滑落，達(dá)到自清潔的效果。合適的表面粗糙度對于構(gòu)建疏水性自清潔表

7、面非常重要。根據(jù)理論，浸潤性由固體表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同組成，一定的表面微觀粗糙度不僅可以增大表面靜態(tài)接觸角，進(jìn)一步增加表面疏水性，而且更重要的是可以賦予疏水性表面較小的滾動(dòng)角，從而改變水滴在疏水性表面的動(dòng)態(tài)過程。因此，荷葉效應(yīng)的汽車膜，必須同時(shí)具備3方面的特性5：具有低表面能的疏水性表面；合適的表面粗糙度；低滑動(dòng)角。通過兩種方法可實(shí)現(xiàn)荷葉效應(yīng)，一種就是加入超強(qiáng)疏水劑如氟硅類表面活性劑，使汽車膜表面具有超低表面能，灰塵不易黏附；另外一種就是模擬荷葉表面的凹凸微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)汽車膜表面，降低污染物與汽車膜的接觸面積，使污染物不能黏附在汽車膜表面，而只能松散地堆積在表面的凹凸處，從而容易被雨

8、水沖刷干凈。四、自清潔技術(shù)的應(yīng)用研究科學(xué)家根據(jù)荷葉表面的自清潔功能進(jìn)行無限想象與創(chuàng)意。例如：把透明疏水、疏油的納米材料顆粒作成涂料涂刷在建筑物表面，大樓不會被空氣中的油污弄臟，鍍在窗戶玻璃表面上，玻璃也如同荷葉一般自潔而永遠(yuǎn)透明，或?qū)⑦@種納米顆粒放到纖維中，做成防塵的衣物，也許可省去不少洗衣的麻煩。在所有這些仿生技術(shù)中，蓮花的憎水原理最為典型。利用荷葉疏水性能的研究結(jié)果68， W.Barthlott教授對涂層表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，成功研制了具有一種凸凹微結(jié)構(gòu)的疏水保潔性能的仿生有機(jī)硅外墻乳膠漆和具有自潔功能的瓦。從上述自清潔的研究，自清潔功能主要是靠薄層的親水、疏水性，特別是涂層的疏水性來的實(shí)現(xiàn)。

9、因此具有很低的表面張力和很低的表面能材料得到廣泛的應(yīng)用。基于憎水特性的自清潔涂料又分為以下幾種：（1） 有機(jī)氟低表面能材料（2） 有機(jī)硅材料（3） 氟硅材料（4） 荷葉效果助劑主要根據(jù)荷葉效應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)汽車膜的自清潔效果。有機(jī)硅具有很大的疏水性，選擇有機(jī)硅作為成膜樹脂或添加劑可以改善涂層的疏水性。根據(jù)有機(jī)硅在涂料中的含量及作用不同，分別研制了水性自清潔乳膠材料、有機(jī)硅材料和有機(jī)硅改性氟碳樹脂材料三種具有自清潔特性的疏水材料，研究了有機(jī)硅含量與材料疏水性之間的關(guān)系，微觀形貌觀測表明，薄膜表面具有很強(qiáng)的疏水性和粗糙度，與荷葉表面很相似，是典型的荷葉效應(yīng)的結(jié)果，使薄膜層具有良好的自清潔功能。 有機(jī)硅

10、樹脂原理及應(yīng)用： 1.1 有機(jī)硅疏水性能的研究有機(jī)硅化合物是指含有Si-O鍵、且至少有一個(gè)有機(jī)基是直接與硅原子相連的化合物，習(xí)慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機(jī)基與硅原子相連接的化合物也當(dāng)作有機(jī)硅化合物。其中，以硅氧鍵（-Si-O-Si-）為骨架組成的聚硅氧烷，是有機(jī)硅化合物中為數(shù)最多，研究最深、應(yīng)用最廣的一類，約占總用量的90%以上。有機(jī)硅的主鏈?zhǔn)秩犴槪@種優(yōu)異的柔順性起因于基本的幾何分子構(gòu)形。由于其分子間的作用力比碳?xì)浠衔镆醯枚?，因此，比同分子量的碳?xì)浠衔镎扯鹊?，表面張力弱，表面能小，成膜能力?qiáng)。這種低表面張力和低表面能是它獲得多方面應(yīng)用的主要原因：疏水、消泡、泡沫穩(wěn)定、防粘、潤

11、滑、上光等各項(xiàng)優(yōu)異性能。有機(jī)硅材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：（1） Si原子上充足的甲基將高能量的聚硅氧烷主鏈屏蔽起來；（2） C-H無極性，使分子間相互作用力十分微弱；（3） Si-O鍵長較長，Si-O-Si鍵鍵角大。（4） Si-O鍵是具有50離子鍵特征的共價(jià)鍵（共價(jià)鍵具有方向性，離子鍵無方向性）。 1.2 有機(jī)硅在汽車膜中的應(yīng)用有機(jī)硅分類為硅油、有機(jī)硅樹脂、硅烷偶聯(lián)劑和有機(jī)硅橡膠，但應(yīng)用于汽車膜中的主要是硅油和有機(jī)硅樹脂。硅油是一種不同聚合度鏈狀結(jié)構(gòu)的聚有機(jī)硅氧烷。硅油具有很好的疏水性，常常作為一種疏水劑添加。硅樹脂是高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚有機(jī)硅氧烷，通常是用幾種硅烷單體的混合物，在有機(jī)溶劑如甲苯

12、存在下，在較低溫度下加水分解，水解物經(jīng)水洗除去酸，進(jìn)一步縮聚，最后形成高度交聯(lián)的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。硅樹脂的主要應(yīng)用有：清漆、絕緣漆、保護(hù)涂料、封裝材料、接合涂料、粘合劑、磚石防水劑等。這兩種有機(jī)硅適用于涂料體系是由于他們具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)：Si-O-Si鍵具有極性鍵性能，可以與無機(jī)成分如顏料、填料很好地包裹、鍵合。在微觀結(jié)構(gòu)上起到了增強(qiáng)作用。同時(shí)有機(jī)基團(tuán)的存在不僅使其具備了非極性性能，與有機(jī)聚合物能夠相似相容，更賦予了膜孔隙之間良好的憎水性，保持很高的透氣性。1.2.1有機(jī)硅油汽車膜 硅油的品種很多，大致分為普通硅油和改性硅油兩大類。其中普通硅油又分為非官能性硅油和官能性硅油，改性硅油又分為共聚硅

13、油、碳官能性硅油和主鏈改性硅油等。 過去在拋光磚的防污處理方面曾嘗試用地板蠟和有機(jī)涂層，但效果不盡人意。打蠟雖能防污，但蠟的保持時(shí)間短，處理工藝麻煩。而涂覆有機(jī)涂層又影響磚面的光澤度。為解決拋光磚的防污問題，李勇民等人用硅油制成陶瓷拋光磚防污劑。該防污劑對拋光磚坯體的微孔及表面具有很好的滲透性和結(jié)合力；同時(shí)，涂層的透明度高，涂覆后對磚的顏色和光澤度無不良影響；對水和多種有機(jī)溶劑穩(wěn)定性好9。Tabuchi等人用通式為R3SiX2（R=芳基；X=陰離子）的化合物與硅油混合物作漁具及其相關(guān)器械的防污劑，可延長防污損性，阻止海洋生物的生長。用增強(qiáng)型填料與非活性硅油在高剪切條件下混合，再與1種以上粘度不

14、小于6000mPa·s的活性聚硅氧烷混合，可制得縮合型有機(jī)硅防污材料13。將乙烯基二甲基封端的聚二甲基硅氧烷與聚甲基氫硅氧烷和鉑硅氧烷催化劑混合，可制成飛機(jī)用耐化學(xué)武器的室溫固化型聚硅氧炕材料。該材料覆在鋁材上時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)室溫固化14。1.2.2有機(jī)硅樹脂材料 以有機(jī)硅樹脂為成膜物質(zhì)制成的材料主要有耐熱耐候有機(jī)硅防腐材料、耐搔抓的透明有機(jī)硅材料、脫模和防潮材料及耐輻射材料等品種。材料用有機(jī)硅樹脂一般以甲基三氯硅烷（CH3SiCl3）、二甲基二氯硅烷（CH3）2SiCI2）、苯基三氯硅烷（C6H5SiCl3 ）、二苯基二氯硅烷（C6H3）2SiCl2）及甲基苯基二氯硅烷（CH3C6

15、H5SiCl2）等為原料進(jìn)行水解縮聚而制得。 晨光化工研究院采用粘度為2040mPa·s的羥基硅油、二甲基二氯硅烷及甲基三乙氧基硅烷為原料，控制nR/nSi等于1.31.4，（CH3）2SiCl2與羥基硅油的質(zhì)量比為70：30，并采用滴加水的方式于500共水解1h得到具有良好硬度和彈性的甲基硅樹脂，可用于制備金屬膜電阻器的阻燃材料。中科院化學(xué)所以CH3SiCl3為主要原料，以丙酮和二甲苯為溶劑，合成了摩爾質(zhì)量分布窄的可溶性梯形聚甲基硅樹脂，采用該樹脂與一定量的鋁粉、室溫硫化硅橡膠配制成的高溫疏水、防腐材料，經(jīng)250老化1000h其柔韌性、耐油性和耐腐蝕性等均良好。合肥工業(yè)大學(xué)用四官能

16、團(tuán)的硅酸醋與三官能團(tuán)的烷基硅氧烷，通過嚴(yán)格控制共水解反應(yīng)，制得兼有硅酸鹽和有機(jī)硅聚合物特性的基料，該基料與顏填料及其它輔助材料按一定比例配合可制成有機(jī)硅耐熱材料。但硅樹脂由于附著力低、耐有機(jī)溶劑性能差，而且固化溫度高、固化時(shí)間長（如在225需固化Ih左右），不便于大面積施工，所以直接用作材料的成膜物質(zhì)受到限制。為充分發(fā)揮硅樹脂的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服它的缺點(diǎn)，可用有機(jī)硅樹脂對有機(jī)樹脂進(jìn)行改性。因此，有機(jī)硅改性醇酸樹脂、有機(jī)硅改性聚氨酯樹脂、有機(jī)硅改性丙烯酸樹脂15、有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂16等涂料在繼承了其他樹脂的性能又增強(qiáng)了疏水性，滿足了更高要求的需要。五、不沾水汽車膜結(jié)構(gòu)圖貼膜結(jié)構(gòu)具體如圖1、帶色PE

17、T安全基層：由高強(qiáng)度、高透明PET聚酯與顏料熔融擠出雙向拉伸制得，由于顏料夾在PET膜里面，可防止氧化變色，壽命長達(dá)8年；2、金屬隔熱層：在PET膜上通過真空蒸鍍或真空磁控濺射金屬鋁、銀、鎳等對紅外線有較高反射率的納米級金屬層；3、復(fù)合膠粘劑：由耐候性良好高透明的聚氨酯膠粘劑組成；4、UV吸收層：由特種UV吸收劑構(gòu)成，可阻隔99%的紫外線；5、透明PET安全基層：由高強(qiáng)度、高透明PET聚酯膜組成，目的是把金屬層夾在中間，防止金屬氧化，延長金屬膜的壽命；6、安裝膠粘劑：由耐候性良好高透明的丙烯酸酯膠粘劑組成；7、高透明PET離型膜。8、荷葉效應(yīng)不沾水有機(jī)硅薄膜。 我們所研制的汽車貼膜是在普通貼膜

18、的最外層新增了具有荷葉效應(yīng)的不沾水高分子層，該層具有粗糙的由蠟質(zhì)晶體構(gòu)成的生物表面，使得灰塵、雨水等與葉面接觸時(shí)，只能與葉面上的細(xì)微凸?fàn)钗镄纬牲c(diǎn)接觸，而且具有很強(qiáng)的疏水性，表現(xiàn)出明顯的自潔功能。 有機(jī)硅具有很好的疏水性能，其表面能低，表面張力小，與水的接觸角大。用此荷葉效應(yīng)原理，于是用有機(jī)硅等材料研制的汽車薄膜貼于已有的汽車膜最外表面，這樣不僅可以起到汽車玻璃自清潔功能的作用，最為關(guān)鍵的是在下雨天的時(shí)候，雨水不會沾于玻璃表面讓駕駛者看不清前方而導(dǎo)致交通事故，大大增加了汽車的安全性能。使用前后對比六、試用范圍 根據(jù)汽車型號和汽車玻璃的大小可生產(chǎn)大小不一樣的不沾水汽車薄膜，也可制成長形卷膜，用于其它不規(guī)則而有需求的物體上面。七、汽車膜的使用方法【干貼法】汽車、摩托車貼或小型貼適用【干貼法步驟】使用工具：干凈抹布、刮片、信用卡1、清潔車身的粘貼位置，有條件的可以使用無纖維