超疏水材料在工業(yè)領域的應用與前景

超疏水材料在工業(yè)領域的應用與前景

一、超疏水涂層的應用超稀疏水技術是一種具有特殊表面性質的新興技術。它具有防水、防霧、防雪、防污染、氧化、防腐、自清潔和防止電流傳導等重要特點。廣泛應用于科學研究、生產(chǎn)、生活等領域。超疏水技術對于建筑工業(yè)、汽車工業(yè)、金屬行業(yè)等的防腐防銹及防污也很有現(xiàn)實意義。特別是近年來的微電子系統(tǒng)、光電子元器件及納米科技等高新技術的高速發(fā)展,給超疏水涂層的研究和應用于勃勃生機。超疏水材料的研究以詩句“出淤泥而不染,濯清漣而不妖”為契機,以科學的手段向我們解釋這一奇特的自然現(xiàn)象,荷花表面覆蓋的天然超疏水薄膜,使得水滴聚集成股,順勢流下,沖刷著荷葉表面的淤泥,營造了出淤泥而不染的狀態(tài)。自然界中此類的例子層出不窮,例如:壁虎可以吸附墻面垂直爬行,水黽、蚊子、蜻蜓都能在水上行走而不給水面帶來絲毫的漣漪,就是因為其足上天然的超疏水材料。無論是基礎研究還是在實際應用方面,浸潤性都是影響固體表面性能的重要因素之一,其主要由幾何結構和化學成分共同決定。接觸角和滾動角的大小是衡量表面浸潤性最常規(guī)的標準。所謂超疏水表面一般是指與表面穩(wěn)定接觸角大于150°,滾動接觸角小于10°。它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中有著極其廣闊的應用前景。近年來的研究表明,基于對昆蟲的水上實驗觀察,我們還可以使水上飛行成為可能,依據(jù)原理即是在船的底部與船身部分覆蓋超疏水材料的薄膜,達到防污防腐的作用,從而減輕海水對船本身的擠壓,減小前進的阻力,進而節(jié)省能源。同時,室外天線上超疏水材料的使用,也可以對防積雪防冰凍等起到至關重要的作用。二、粘土材料的應用分析超疏水材料主要利用其自清潔、防污、防粘附等優(yōu)越的特性,廣泛應用于建筑業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管道運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍事等領域,下面分別作具體的應用分析。(一)建筑物表面被侵蝕建筑物表面的污染主要是由于空氣中微小顆粒的粘附和雨、雪等的覆蓋污染。伴隨近年來城市化的發(fā)展進程逐漸加快,城市人口迅速增加,隨之而來的城市污染加劇了酸雨等災害的發(fā)生頻率,大量年代久遠的建筑物表面被侵蝕,例如樂山大佛面部被酸雨侵蝕的痕跡就很明顯地顯露出來。超疏水材料因其獨特的疏水性,在建筑物內(nèi)外墻、玻璃及金屬框架等部位恰當?shù)氖褂贸杷牧?可以起到很好的防水、防雪和耐沾污等特性,同時,可降低建筑物的清潔及維護成本,使得建筑物能長久保持亮麗的外觀。綜述,超疏水材料在建筑物的自清潔,防污等領域的發(fā)展擁有廣闊的發(fā)展空間。目前,超疏水表面材料在建筑防污染面的產(chǎn)品主要是涂層及防護液等,如中科賽納技術有限公司采用納米合成技術制備的納米超疏水自清潔玻璃涂層。該涂層大體具有無色透明、無毒、無污染牢固度高且具有自清潔、防結冰、抗氧化等優(yōu)點。(二)水上漂“空氣墊”的優(yōu)點據(jù)實驗觀察,不論是在水面的滑行、跳躍,還是快速掠過,水黽都既不會滑破水面,更不會浸濕腿部。因而也就被美譽為“池塘中的溜冰者”根據(jù)這一現(xiàn)象,科學家經(jīng)過論證得出,水黽特殊腿部微納米結構和水面間形成的“空氣墊”,阻礙了水滴的浸潤,讓它們實現(xiàn)了自然界版的“水上漂”。據(jù)了解,利用新型超疏水材料制成的超級浮力材料,可以使船表面具有超疏水性,并因此在其表面形成具體版的“空氣墊”,改變船與水的接觸狀態(tài),防止船體表面被水浸濕,進而使其在水中運行的阻力更小,提高速度,節(jié)省了能源。研究人員表明,交通工具的“水上飛”,可以有效地提高交通工具的速度,節(jié)省一定的能源,有可能也會順勢引起交通、能源領域的一次革新。(三)超疏水薄膜的制備天然氣的管道運輸因其傳輸距離遠,線路可控設備投入較簡單等優(yōu)勢已經(jīng)成為陸上天然氣資源的主要輸送方式,但由于天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳和水等腐蝕性物質,因而管道容易發(fā)生均勻腐蝕、坑蝕、電化學腐蝕、沖刷腐蝕等現(xiàn)象。由于管道內(nèi)壁表面粗糙等原因,天然氣的傳輸效率也較低。針對上述問題,許多學者在這方面做了很多工作,例如在鋁及其合金表面上制備超疏水薄膜,使其防腐能力明顯提高,碳納米管粘接在基材鋁板表面以形成復合結構表面,然后用聚四氟乙烯修飾該復合表面上以形成一層超疏水PTFE膜(如圖1所示)。在國外,許多鋁、鐵、碳鋼等金屬以及合金表面都會用超疏水膜來修飾,以提高其防腐蝕性。該方法可有效地運用在如管道氣體、液體運輸減阻等多方面,對降低運輸能耗,提高輸送效率有很大幫助,未來有較大的開發(fā)應用空間。(四)超疏水防護材料在紡織品中的應用采用靜電紡絲法或者在材料表面進行處理可制備具有超疏水性的各種微納米結構纖維。這類材料因具有超疏水性能,可用于制造防水薄膜、疏水濾膜以及防水透氣薄膜等,或者使織物因疏水性能而具有防水、防污染、防灰塵等新功能。德國巴斯夫(BASF)公司也將荷葉效應應用到紡織品上,開發(fā)出具有超疏水自清潔功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。而上海名列化工科技有限公司則開發(fā)出了MLCF系列多孔薄膜(如圖2所示)。超疏水材料在超細纖維制備、現(xiàn)有纖維或者織物的超疏水處理及制備分子級的纖維疏水過濾材料等方面都有十分廣泛的應用,對纖維及紡織領域的應用功能拓展和更新?lián)Q代有積極的推動作用。通過此類技術的發(fā)展,日常生活領域將會為其提供優(yōu)越的發(fā)展空間。同時,人類的生活也將更加科技化、舒適化、便捷化。(五)液滴加入的針尖可緩解醫(yī)藥領域的污染超疏水材料表面所具有的不浸潤性及低表面粘滯力,使其在微流體控制應用方面也有十分出色的表現(xiàn)。比如控制微液滴的運動和流動,若用其微量注射器的針尖部位,可以盡可能完全的消除昂貴的藥品在針尖上的依附,而緩解醫(yī)藥用品的浪費和對針尖的污染。如果將這類技術運用到諸如噴涂領域,比如用超疏水材料制造噴漆噴膠等的噴頭,將會使噴涂的液滴更加均勻,霧化效果更好,可以運用在對噴涂效果有特殊要求的場合,以顯示其良好特性。三、swot分析采用超稀疏材料這里我們主要用SWOT分析法,通過對超疏水材料在市場和同行業(yè)的優(yōu)劣勢及機會威脅的分析,準確對應用市場的定位,將產(chǎn)品推向市場。(一)研究開發(fā)的優(yōu)勢1.我國目前材料消費市場以新型環(huán)保為消費理念,并且超疏水材料以自然界中荷花表面附著水滴自由下落,且出淤泥而不染為研究論據(jù),無形中給消費者帶來好奇心,伴隨理論研究方面對超疏水材料長達數(shù)十年的理論攻克,研究開發(fā)策略基本夯實,同時,對我們來說最大的機遇則是市場目前并沒有投入使用的超疏水材料,市場份額空缺,當我們的研究材料投入市場,可以把握市場主動權。其次,超疏水材料可以分別應用于日常生活領域、醫(yī)藥衛(wèi)生領域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域及國防事業(yè)領域,其涉及面廣泛,可以更加優(yōu)越的采取“多品牌”策略,以各種不同的產(chǎn)品敲開不同的市場之門,緩解競爭壓力。2.宣傳推廣的優(yōu)勢。目前電子信息時代的逐漸深入發(fā)展,網(wǎng)絡媒體、廣告報刊等宣傳媒介為我們進一步宣傳產(chǎn)品提供有效的幫助,在無形中以“軟實力”贏得市場份額。(二)超疏水表面制備技術的應用難度1.超疏水材料技術是一個新名詞,超疏水材料在我國還沒有可以正式投入生產(chǎn)使用的產(chǎn)品,對其深入了解的人群僅限于研究人員及知識分子,并不為大多數(shù)人所知曉,因此,推廣難度大。2.目前,大多數(shù)制備方法還存在實驗條件苛刻、步驟繁瑣、成本高等問題,無法工程化應用?，F(xiàn)已投入市場的超疏水材料也存在如表面微細結構強度低、易老化、易磨損、易污染、使用壽命短等缺點。因此,對超疏水表面制備技術的研究還有許多工作要做。隨著理論研究的不斷深入,以及制備工藝的優(yōu)化和制備方法的創(chuàng)新,超疏水界面材料的研究必將在實際應用領域中發(fā)揮更加重要的作用。(三)加強科技創(chuàng)新,提高超疏水材料在國內(nèi)發(fā)展中的支撐體系1.國家政策的支持。(1)從我國國情和科技、產(chǎn)業(yè)基礎出發(fā),現(xiàn)階段選擇節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術、生物、高端裝備制造、新能源、新材料和新能源汽車七個產(chǎn)業(yè),在重點領域集中力量,加快推進。(2)科學技術發(fā)展迅猛,國家提倡強化科技創(chuàng)新,提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力。加強產(chǎn)業(yè)關鍵核心技術和前沿技術研究,強化企業(yè)技術創(chuàng)新能力建設,加強高技能人才隊伍建設和知識產(chǎn)權的創(chuàng)造、運用、保護、管理,實施重大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展工程,建設產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新支撐體系,推進重大科技成果產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展。因而給超疏水材料的發(fā)展營造良好的國內(nèi)發(fā)展環(huán)境。(3)國家支持發(fā)展小微企業(yè)及新興企業(yè),同時,加大財稅金融等政策扶持力度,引導和鼓勵社會資金投入。設立戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金,建立穩(wěn)定的財政投入增長機制。制定完善促進戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的稅收支持政策。鼓勵金融機構加大信貸支持,發(fā)揮多層次資本市場的融資功能,大力發(fā)展創(chuàng)業(yè)投資和股權投資基金。(四)超疏水材料在高價格和成本方面的優(yōu)勢1.超疏水材料的研究成本費用主要是生產(chǎn)上的制造費用,由于其制造需要很多結構精密的儀器和大批量的化學藥劑,從而使其成本偏高,限制于實驗室和研究價值。其次,由于制造成本高昂,只有在實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的條件下,發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟才能使生產(chǎn)廠商有利可圖,所以在投入生產(chǎn)時就需要有資金實力強的大廠商,從而使其生產(chǎn)受到限制,普通小型廠商不能加入競爭,出現(xiàn)進入門檻高的現(xiàn)象。最后,為實現(xiàn)超疏水材料的質量、性能等方面的優(yōu)良,就需要具有相關專業(yè)知識和理論基礎的技術人員,這也加大了其成本費用。因此,要實現(xiàn)市場上的流通就必須研究其制造方法,使其趨向自動化和易操作,更好的應用于各個領域,便捷人們生活。2.打破高價格障礙是超疏水材料進入市場的關鍵,價格的挑戰(zhàn)促使超疏水材料研究者致力于開發(fā)低成本的新型材料,以推動其產(chǎn)品的市場化進程。3.超疏水材料雖然具有清潔環(huán)保等優(yōu)良的性能,但是價格過于昂貴,很難找到商業(yè)應用的市場,所以一直未能大規(guī)模地投入市場,近年來研究人員在努力降低其生產(chǎn)成本等方面進行大量的實驗,努力打破其價格障礙。然而,超疏水材料在保持其高價格的同時也要看到其優(yōu)良的性能和使用壽命帶來的經(jīng)濟效益。與此同時,要努力改進加工技術,擴大生產(chǎn)規(guī)模,走商品化的生產(chǎn)化道路,只有在生產(chǎn)規(guī)模達到一定水平后,超疏水材料才能達到企業(yè)所接受的水平。4.由于材料市場的可替代品多,且價格的層次不齊,產(chǎn)品收益會大打折扣。四、企業(yè)的市場主動性有利于提升經(jīng)營能力雖然國內(nèi)外的專家學者相繼通過研究得出大量關于超疏水材料的理論成果,但基本仍處于實驗室階段,市場的使用率基本接近無,且民眾的認知率也極為有限,這些都是各企業(yè)唯恐不及的困難,若把握好這一局面,將會有巨大的市場主動性。首先,依賴簡單經(jīng)濟,環(huán)保友好的制備方法,順應“綠色環(huán)?？萍肌钡陌l(fā)展理念,率先給民眾樹立良好的產(chǎn)品形象,潛移默化地贏得顧客青睞。其次,從實際應用的角度出發(fā),制作的產(chǎn)品貼合群眾生活,從日常生活領域拓展產(chǎn)品的深入步伐,其拓展領域之大可想而知。最終,在工農(nóng)業(yè)等領域逐漸打開市場,進行市場的全方位經(jīng)營。總之,超疏水材料的優(yōu)良性能是其深入市場的利劍,只要