超疏水與自清潔材料研究

1、超疏水-自清潔材料研究超疏水-自清潔材料研究摘 要超疏水-自清潔材料是表面穩(wěn)定接觸角要大于150°，滾動(dòng)接觸角小于10°的特殊材料。由于超疏水表面具有自清潔、防黏附、防雪黏等功能, 在許多領(lǐng)域中用途廣泛, 有關(guān)超疏水表面制備和理論研究成為研究的熱點(diǎn)。本文通過對超疏水-自清潔材料原理、制備、應(yīng)用及目前存在的問題等方面開展研究，綜述了近年來超疏水理論的新進(jìn)展，對超疏水-自清潔材料發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：超疏水 自清潔 接觸角 滾動(dòng)角目 錄1 研究背景41.1背景41.2研究目的：41.3理論意義：51.4現(xiàn)實(shí)價(jià)值：51.5研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)52 研究內(nèi)容62.1研究思路62

2、.2可行性分析72.3實(shí)施方案73 研究方法74 相關(guān)分析84.1超疏水表面的主要特點(diǎn)84.2超疏水表面制備84.3粗糙表面分類94.4超疏水表面主要制備方法介紹95 研究結(jié)論105.1應(yīng)用105.2發(fā)展方向115.3主要問題125.4建議126 參考文獻(xiàn)：137 致謝131 研究背景1.1背景近年來，植物葉表面的超疏水現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注。所謂植物超疏水能力，就是植物葉面具有顯著的疏水，脫附，防粘，自清潔功能等。荷花“出淤泥而不染”就是因?yàn)槠浔砻婢哂幸粚映杷∧?，能夠使其具有自清潔的功能。科學(xué)家通過對超疏水的荷葉表面進(jìn)行觀察，他們發(fā)現(xiàn)，荷葉表面微納雙重結(jié)構(gòu)是引起荷葉表面超疏水性能的根本原因

3、。不只是荷花上有，昆蟲的足上也有。比如水黽，蚊子都能在水上行走而不劃破水面這就是因?yàn)槠渖厦娴某杷牧稀Ｊ茏匀唤绯杷F(xiàn)象的啟發(fā)，科學(xué)家在超疏水材料領(lǐng)域進(jìn)行了不懈的探索。目前，一般有兩種方法來制備超疏水材料：一種是在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)；另一種是在疏水材料表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)。由于超疏水材料獨(dú)特的表面特性，使其可廣泛應(yīng)用：首先，可以自行清潔需要干凈的地方；還可以放在金屬表面防止水的腐蝕生銹；第三，基于對昆蟲的研究我們還可以使水上飛行成為可能，在船的表面加上超疏水膜減小阻力節(jié)省能源。因此超疏水材料在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)和生活中具有廣闊的應(yīng)用前景?；诖耍覀冃〗M對于超疏水材料展開了研究。1.2研究目的：（1

4、）通過網(wǎng)絡(luò)、書籍、雜志等多種途徑得到大量關(guān)于超疏水、自清潔方面的最新文獻(xiàn)；（2）歸納整理所得文獻(xiàn)，得到詳實(shí)清晰的數(shù)據(jù)、資料以及各方成果；（3）將整理好的數(shù)據(jù)資料等綜合成文，最終形成一篇綜述。1.3理論意義：（1通過整理文獻(xiàn)使超疏水、自清潔領(lǐng)域已發(fā)展、得到的成果有條理地、深刻清晰的呈現(xiàn)給各界學(xué)者，使近年來超疏水、自清潔領(lǐng)域的發(fā)展得到綜合歸納；（2）通過關(guān)注超疏水、自清潔領(lǐng)域研究的最新動(dòng)態(tài)使讀者掌握現(xiàn)今該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；（3）通過形成綜述使更多學(xué)者了解超疏水與自清潔的原理以及該領(lǐng)域的發(fā)展程度，同時(shí)提供超疏水自清潔材料的多種制備原理，并激發(fā)更多學(xué)者對該領(lǐng)域的研究熱情；（4）通過對過去與現(xiàn)在

5、的分析與學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)未來超疏水領(lǐng)域更廣闊的發(fā)展前景，引導(dǎo)各界學(xué)者積極展望其將來巨大的發(fā)展?jié)摿Α?.4現(xiàn)實(shí)價(jià)值：（1）使超疏水、自清潔領(lǐng)域現(xiàn)階段已有成果得以總結(jié)；（2）呈現(xiàn)超疏水、自清潔領(lǐng)域研究的最新動(dòng)態(tài)供研究者查閱；（3）形成包括超疏水材料的原理、實(shí)驗(yàn)、制備原理、應(yīng)用價(jià)值和實(shí)踐意義等全方面的綜述，使已研究者與未研究者皆可通過該綜述了解該領(lǐng)域、激發(fā)興趣。1.5研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)研發(fā)具有抗菌和自凈化功能的自清潔材料對保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,這類新型功能材料的使用面極廣,具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。但是,目前自清潔材料的產(chǎn)業(yè)化受到了一些技術(shù)上的制約:其在可見光下的光催化效率太低,TiO2膜

6、的大面積制備技術(shù)也不夠成熟,自清潔性能的持久性還有待提高等。今后的自清潔材料將會(huì)朝著光催化效率更高,自清潔性能更穩(wěn)定的方向發(fā)展。同時(shí),自清潔材料的應(yīng)用領(lǐng)域還可以不斷的拓寬,如空氣凈化、污水處理、光催化反應(yīng)器和太陽能電池組件等。只有通過不斷的研究和探索,才能更大的發(fā)揮光催化自潔凈材料的作用,自清潔材料色彩豐富,飾面靈活多樣,自重輕,安全可靠,正在逐漸替代傳統(tǒng)材料。同時(shí)自清潔材料也是國家極力倡導(dǎo)推廣的材料，例如：我國目前正處于城鎮(zhèn)化建設(shè)高峰期,高品質(zhì)外墻涂料有廣闊的需求空間和發(fā)展?jié)摿?。住宅產(chǎn)業(yè)化和建筑節(jié)能的實(shí)施也對外墻涂料的推廣應(yīng)用起到巨大的推動(dòng)作用。傳統(tǒng)涂層耐沾污能力不足是外墻涂料普遍存在的共性

7、問題,也是制約我國外墻涂料推廣應(yīng)用的突出技術(shù)難題。外墻飾面被污染,大大影響了建筑的美觀性和耐久性。人們一直期望開發(fā)不易附著污染或者使附著污染物能借助于雨水、風(fēng)力等外界自然條件被去除的自清潔涂料。今后的自清潔材料將會(huì)朝著更高光催化效率和更穩(wěn)定的自清潔性能方向發(fā)展。而且會(huì)隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，成為人們生活中必不可少的新型綠色產(chǎn)品。2 研究內(nèi)容2.1研究思路研究計(jì)劃對于高分子材料首先進(jìn)行初步了解，查閱有關(guān)高分子材料定義、發(fā)展現(xiàn)狀、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值、前景展望等。再對于超疏水、自清潔等詳細(xì)分類進(jìn)行深入探究，了解其原理、應(yīng)用、發(fā)展延伸等。最后根據(jù)研究結(jié)果，整理形成論文。2.2可行性分析（

8、1）高分子方面基本知識(shí)與生活聯(lián)系較為緊密，對于理論可以較快有大致了解。（2）擁有專業(yè)負(fù)責(zé)的導(dǎo)師對此次研究進(jìn)行指導(dǎo)，解決組員在研究過程中遇到的問題，指導(dǎo)研究方向。（3）組員對此次研究內(nèi)容有興趣，能夠積極開展研究。（4）實(shí)驗(yàn)方面，對接基地實(shí)驗(yàn)室有一定硬件基礎(chǔ)，可以進(jìn)行試驗(yàn)。2.3實(shí)施方案（1）利用暑假時(shí)間廣泛地查閱文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)其基本原理，熟知一些常用專業(yè)詞匯，了解當(dāng)前超疏水、自清潔材料的研究現(xiàn)狀，并對最新成果的制備方法和疏水、清潔原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，考慮其在生活中的應(yīng)用；同時(shí)，暑假期間會(huì)持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)，利用新聞等渠道獲取最新信息。（2）開學(xué)后統(tǒng)籌時(shí)間，抽空查閱文獻(xiàn)資料，繼續(xù)完善知識(shí)儲(chǔ)備。利用學(xué)校

9、見面的機(jī)會(huì)，組員之間互相分享閱讀成果，相互補(bǔ)充；同時(shí)聯(lián)系青島科技大學(xué)材料學(xué)院，在基本知識(shí)掌握充足后準(zhǔn)備進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，對超疏水、自清潔材料進(jìn)行研究，包括膜制備、表面接觸角測量等等；期間加強(qiáng)與導(dǎo)師的聯(lián)絡(luò)，及時(shí)向?qū)煼从抽喿x文獻(xiàn)時(shí)遇到的疑難問題。（3）在充分了解超疏水、自清潔材料研究進(jìn)展，制備原理，并參與相關(guān)實(shí)驗(yàn)后，著手開始撰寫論文，準(zhǔn)備結(jié)題工作。3 研究方法（1）文獻(xiàn)資料法：查閱相關(guān)資料，了解超疏水材料最新發(fā)展動(dòng)向。（2）實(shí)驗(yàn)法：聯(lián)系軟控中心與青島科技大學(xué)，參與相關(guān)實(shí)驗(yàn)（如膜表面接觸角觀測、膜制備等等）。4 相關(guān)分析4.1超疏水表面的主要特點(diǎn)具有微米和納米尺度的粗糙結(jié)構(gòu)和表面蠟狀物。微米與納米相結(jié)合

10、的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大的接觸角和較小的滾動(dòng)角。表面化學(xué)組成與粗糙結(jié)構(gòu)相結(jié)合成為仿生超疏水表面的重要特點(diǎn)。4.2超疏水表面制備目前主要通過兩種方法來制備超疏水表面：（1） 在疏水材料(接觸角大于90°)表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)；（2） 在粗糙表面修飾低表面能的物質(zhì)。具體的制備方法如下：（1） 相分離或自組裝法（2） 化學(xué)沉積或電沉積法（3） 溶膠-凝膠法（4） 電紡絲法（5） 碳納米管法以上方法可得到粗糙表面,通過低表面能物質(zhì)表面修飾后得到超疏水表面。4.3粗糙表面分類（1）規(guī)則的粗糙表面(也稱為人為設(shè)計(jì)的粗糙表面)、（2）無規(guī)則粗糙表面（3）介于兩者之間的分形結(jié)構(gòu)表面。4.4超疏水表面主要制備方

11、法介紹4.4.1一種多尺度仿生超疏水表面制備：納米二氧化硅是一種大規(guī)模生產(chǎn)的納米填料,在塑料、橡膠制品中廣泛應(yīng)用于提高機(jī)械性能。通過傳統(tǒng)的機(jī)械處理和分散納米二氧化硅的方法在金屬表面制備具有微-納米二級(jí)結(jié)構(gòu)的類荷葉的超疏水表面。噴砂粗糙化處理的鋁片經(jīng)過植入納米二氧化硅和表面修飾后能獲得與荷葉表面結(jié)構(gòu)、性能相似的超疏水表面:靜止接觸角高達(dá)173°,對于6.5L的水滴傾斜2.5°即可滾動(dòng),本方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)大面積制品的制作。4.4.2以砂紙為模板制作聚合物超疏水表面以不同型號(hào)的金相砂紙為模板,通過澆注成型或熱壓成型技術(shù),在聚合物表面形成不同粗糙度的結(jié)構(gòu)。以不同型號(hào)的砂紙為模板可

12、以制備不同粗糙度的聚合物固體表面。砂紙的磨料顆粒形狀不規(guī)則,分布雜亂,與膠粘劑共同形成了微米2納米的粗糙結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)有效地提高了聚合物表面與水的接觸角。不同型號(hào)砂紙的粗糙度有較明顯的差別，砂紙復(fù)制表面的接觸角隨粗糙度的增大(砂紙磨料粒徑減小)而提高。4.4.3采用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑粗糙表面采用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑粗糙表面，再使用廉價(jià)的低表面能物質(zhì)硅油在煅燒過程中同步修飾，制備出接觸角大于150°滾動(dòng)角小于5°的TiO超疏水表面。這種超疏水的TiO材料可被設(shè)計(jì)運(yùn)用于防水織物、無損失液體運(yùn)輸、微流體等領(lǐng)域。4.4.4靜電噴涂法制超疏水表面采用聚苯乙烯(Ps)的二甲基甲酰胺(DMF)

13、溶液為原料，通過靜電噴涂的方法，制備了具有微一納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯膜通過調(diào)節(jié)Ps的分子量及溶液的濃度，得到了不同的結(jié)構(gòu)、浸潤性及吸附性的表面。4.4.5溶膠-凝膠法溶膠-膠法在玻璃表面形成粗糙度適宜的SiO薄膜，再通過白組裝將OTS鍵合到SiO薄膜表面，制備出了超疏水表面材料。靜態(tài)接觸角為156。，滑動(dòng)角小于5。5 研究結(jié)論5.1應(yīng)用（1）有機(jī)硅樹脂類納米涂料涂在基材表面，制得自清潔表面。這種產(chǎn)品主要應(yīng)用于汽車的前后風(fēng)擋玻璃、側(cè)風(fēng)擋玻璃、后視鏡的表面，保證雨天玻璃不掛水視線良好。而且很多汽車腳墊地毯用水沖洗不易曬干，如果處理后沖洗就不怕濕，因?yàn)楸砻嫘纬傻募{米保護(hù)膜油水不沾，輕輕甩一下便可使用

14、。（2）納米二氧化鈦型超親水自潔涂料。聯(lián)系一下中國的現(xiàn)實(shí)背景，我們可以得知建筑物外立面最大的污染源是粉塵污染，所以建筑物防污首要的是防止灰塵粘附，而如果選取代表性的石炭灰污染物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（使石炭灰附著基材后用噴水瓶噴水，觀察水的接觸角與石炭灰的除去性的關(guān)系），我們可以得出結(jié)論：水滴接觸角越?。闯H水性）越不容易污染，而且容易脫落。5.2發(fā)展方向 （1）蓮花效應(yīng)實(shí)質(zhì)為既疏水也疏油的超雙疏效應(yīng)，各種紡織材料（棉、麻、絲、毛、絨、混紡、化纖等）等經(jīng)處理后不僅顯示出卓越的疏水疏油性能（包括蔬菜瓜汁、墨水、醬油等各種物質(zhì)），而且不改變原有織物的各種性能（纖維強(qiáng)度、染料親和性、耐洗滌性、透氣性、皮膚親和性

15、、免熨性等），甚至還增加了殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。可以顯著減少洗滌劑的使用（過量使用洗滌劑在很長一段時(shí)間內(nèi)都是我國水華頻發(fā)的原因之一）和水資源的浪費(fèi)。 （2）當(dāng)某種材料和水的接觸角（接觸角表示某種液體對于某種材料或者表面的潤濕性能，當(dāng)接觸角為0度時(shí)，表示液體能完全的濕潤固體表面；當(dāng)接觸角為180度時(shí)，代表液體完全不能濕潤固體表面。）近似達(dá)到180°，那么這種材料就有不會(huì)被水打濕的特性，如果該材料的密度遠(yuǎn)小于水，那么它就可以一直漂浮在水面上。像馬航空難中的黑匣子，沉到海底得到了短暫的穩(wěn)定，而卻增大了搜索難度。如果是浮在水面上的，在一定范圍內(nèi)釋放出信號(hào)，就可以降低搜索難度。 （3）

16、在文物打撈工作方面，如果在沉在海底的文物涂抹超疏水涂料，就可以減緩海水侵蝕速度，為打撈爭取時(shí)間。5.3主要問題（1）超疏水自潔涂料分為有機(jī)硅樹脂類納米涂料和氟碳型納米涂料。有機(jī)硅樹脂類納米涂料（如自潔涂料、疏水納米自潔玻璃），缺點(diǎn)是附著性差，不耐摩擦，壽命短，而且不可防油（戶外的空氣里面是含有油分的，特別是一些大城市以及工業(yè)區(qū)，因?yàn)槠嚭凸S排出的尾氣是含有油分的）。氟碳型納米涂料附著性極強(qiáng)，可以廣泛用在基材如玻璃陶瓷，木材，石材和混凝土上，缺點(diǎn)是價(jià)格較高。對于主要成分是二氧化鈦（TiO2）的易潔涂料，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是必須有紫外線照射，而且附著性同樣不佳。（2）目前自清潔材料的產(chǎn)業(yè)化受到

17、了一些技術(shù)上的制約:其在可見光下的光催化效率太低,TiO2膜的大面積制備技術(shù)也不夠成熟,自清潔性能的持久性還有待提高等。5.4建議研發(fā)具有抗菌和自凈化功能的自清潔材料對保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，這類新型功能材料的使用面極廣，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。但是目前自清潔材料的產(chǎn)業(yè)化受到了一些技術(shù)上的制約。今后的自清潔材料將會(huì)朝著光催化效率更高，自清潔性能更穩(wěn)定的方向發(fā)展。同時(shí)，自清潔材料的應(yīng)用領(lǐng)域還可以不斷的拓寬，如空氣凈化、污水處理、光催化反應(yīng)器和太陽能電池組件等。只有通過不斷的探索，才能更大的發(fā)揮光催化自清潔材料的作用，使它能滿足人們對較高生活質(zhì)量的需求。今后的自清潔材料將會(huì)朝著更高光催化效率和更穩(wěn)定的自清潔性能方向發(fā)展。而