超疏水涂料.docx

涂料與涂裝原理結(jié)課報(bào)告學(xué) 號(hào) 061120132 姓 名 胡建軍 主 題 超疏水涂料 指導(dǎo)老師 鄭興順老師 近年來(lái)，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高以及環(huán)保和節(jié)能意識(shí)的不斷增強(qiáng)，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(fēng)力等外力作用下能夠自動(dòng)脫落或被降解的一種表面。超疏水自清潔表面由于其獨(dú)特的性能，在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用非常廣泛，如建筑物窗玻璃、運(yùn)輸工具窗玻璃、擋風(fēng)玻璃、后視鏡、浴室鏡子、眼鏡鏡片、測(cè)量?jī)x器的玻璃罩等，當(dāng)潮濕空氣冷凝時(shí)，水滴在表面滾落，使表面維持高度的透明性，給車(chē)輛的安全行駛及工作效率的提高帶來(lái)了極大的便利，具有廣闊的應(yīng)用前景。然后，我們將超疏水材料的應(yīng)用拓展到了油水分離領(lǐng)域中，利用無(wú)電位沉積方法和溶液浸泡方法制備了兩種同時(shí)具有超疏水和超親油性質(zhì)的銅網(wǎng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的分液漏斗而言，我們所制備的銅網(wǎng)分離效率更高，儀器更為簡(jiǎn)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(yīng)用到防腐蝕領(lǐng)域中，這樣我們就將抗腐蝕材料的制備和電能的產(chǎn)生有機(jī)地結(jié)合在了一起，具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。人們通常用液體在材料表面的接觸角來(lái)表征材料表面的潤(rùn)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(jìn)行如下分類(lèi): 當(dāng)接觸角小于 90 時(shí)，我們認(rèn)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(jīng)濃硫酸和雙氧水（體積比為 7：3）處理過(guò)的硅片，水滴在它的上面會(huì)立刻鋪展開(kāi)，展示出超親水的性質(zhì)；當(dāng)材料表面接觸角大于 90 時(shí)，我們認(rèn)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(rèn)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(shí)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(dòng)角。關(guān)于潤(rùn)濕性的理論研究 ，在理想固體表面上，可以用楊氏方程來(lái)表述。一般認(rèn)為，接觸角越大其表面疏水性也就越高。但是，實(shí)驗(yàn)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(huì)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(jìn)接觸角與后退接觸角之間的差異。前進(jìn)接觸角是指在增加液滴體積時(shí)，液滴與固體表面接觸的三相線(xiàn)將要移動(dòng)而沒(méi)有移動(dòng)時(shí)的接觸角，后退接觸角是指縮小液滴體積時(shí)液滴與固體表面接觸的三相線(xiàn)將要移動(dòng)而未移動(dòng)時(shí)的接觸角。前進(jìn)角總是大于后退角，兩者的差值稱(chēng)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(shuō)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(kāi)低表面能材料，超疏水性的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)特定的表面粗糙度的疏水表面。有機(jī)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(jī)化合物都小，遠(yuǎn)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(fù)性最強(qiáng)，原子半徑很小，原子極化率很低，有機(jī)氟化合物中CF鍵鍵能大，氟原子沿著碳鍵作螺線(xiàn)形分布，具有屏蔽效應(yīng)，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(lái)制作超疏水涂膜。但氟樹(shù)脂與基體表面存在弱界面層，與金屬等基體結(jié)合強(qiáng)度差，需結(jié)合其它技術(shù)提高其對(duì)底材的粘附力，應(yīng)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(shù)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(guò)程中含氟組分或側(cè)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(guān)于粗糙度對(duì)固體表面潤(rùn)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(dá)到超疏水性，必須使用特定的工藝技術(shù)來(lái)提高固體表面的粗糙度。目前為止主要通過(guò)提高固體表面粗糙度來(lái)增強(qiáng)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(xué)沉積、蝕刻、相分離等方法。固體表面的納米結(jié)構(gòu)對(duì)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(chǎn)生很高的接觸角。溶膠-凝膠法以分子種類(lèi)如硅、鈦、錫、鋁或鋯的烷氧化物為前驅(qū)體，與無(wú)機(jī)化合物等通過(guò)溶液、溶膠、凝膠過(guò)程而固化制備出立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米或納米雜化材料，是一種很有前途的方法，在發(fā)達(dá)國(guó)家的疏水涂料研究中占有重要的地位。有機(jī)硅是此法中常使用的一類(lèi)材料，可用具有較強(qiáng)疏水側(cè)鏈的前驅(qū)體如長(zhǎng)鏈硅烷偶聯(lián)劑、含氟烷基三乙氧基硅烷與其它前驅(qū)體或無(wú)機(jī)納米材料通過(guò)溶膠-凝膠過(guò)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(duì)競(jìng)爭(zhēng)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(dāng)涂膜厚度較大時(shí)，鍵接在分子中低表面能的基團(tuán)或低表面能的添加劑在涂料成膜過(guò)程中向空氣一側(cè)遷移，形成局部的濃度梯度分布或相分離，阻止光的透過(guò)。側(cè)鏈含有有機(jī)硅和含氟的基團(tuán)，基團(tuán)本身表面能低于主鏈的碳?xì)浠鶊F(tuán)，在涂膜過(guò)程中向涂膜空氣界面一側(cè)遷移，產(chǎn)生局部濃度的不均勻性，出現(xiàn)顯著的表面疏水性的同時(shí)對(duì)光的透過(guò)有不同程度的影響，特別是側(cè)鏈基團(tuán)長(zhǎng)度較長(zhǎng)或體積較大時(shí)，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(shí)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(hù)，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(chǎn)物、生活污染物等腐蝕介質(zhì)，防止腐蝕介質(zhì)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(duì)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(zhǎng)了材料的使用壽命。特別是新型的硅氟納米復(fù)合材料疏水技術(shù)，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(shù)在紡織、基因傳輸、微流體以及無(wú)損傷輸送、光電子微器件等高新技術(shù)領(lǐng)域中顯示的高性能和誘人的應(yīng)用前景，更使疏水涂料獲得全新的生命力?？偠灾?