納米超疏水綜述

1、納米超疏水自清潔表面綜述摘 要 簡(jiǎn)要介紹了超疏水表面的自清潔原理及制備方法。從能否量產(chǎn)和自清潔穩(wěn)定與否角度動(dòng)身，指出了超疏水自清潔表面存在的問題。概括了當(dāng)前超疏水自清潔表面的產(chǎn)業(yè)化狀況，對(duì)其將來進(jìn)展作了展望。 近年來，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高以及環(huán)保節(jié)能意識(shí)的不斷增加，具有自清潔功能的表面得到了快速進(jìn)展。自清潔表面指表面的污染物或灰塵能在重力或雨水、風(fēng)力等外力作用下自動(dòng)脫落或被降解的一種表面，基于超疏水原理的自清潔表面主要是指接觸角CA150°、滾動(dòng)角SA10°的類荷葉表面。自清潔表面由于其獨(dú)特的性能，在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用格外廣泛。基于超疏水原理的自清潔表面由于其獨(dú)特的表

2、面微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的超疏水性能，使雨水、冰雪等難以在其表面附著，因而在建筑玻璃、汽車和飛機(jī)擋風(fēng)玻璃、衛(wèi)星天線、高壓電線，甚至機(jī)車和飛機(jī)涂裝等方面具有重要應(yīng)用前景。假如建筑物的外墻、露天的廣告牌等表面像荷葉一樣，就可以保持清潔。船只等在水面航行時(shí)需要消耗很多的能源來克服行進(jìn)中的摩擦阻力，對(duì)于水下航行體如潛艇等甚至可達(dá)到80%；而對(duì)于運(yùn)輸管道如輸油（水）管道，其能量幾乎全部被用來克服流固表面的摩擦阻力。隨著微機(jī)電的進(jìn)展, 機(jī)構(gòu)尺度越來越小，固液界面中的摩擦力相對(duì)越來越大,如微通道流等摩擦阻力問題已成為相關(guān)器件進(jìn)展的一個(gè)重要的制約因素。因此盡量削減表面摩擦阻力是提高航速和節(jié)省能源的主要途徑。近年來利用

3、超疏水表面減阻的爭(zhēng)辯越來越受爭(zhēng)辯者的重視。如利用超疏水硅表面進(jìn)行減阻爭(zhēng)辯中發(fā)覺，減阻可達(dá)30%-40%。利用改性硅橡膠和聚氨酯樹脂為主，添加低表面能無機(jī)填料或有機(jī)填料，在制成的雙組分涂料的疏水表面減阻的試驗(yàn)中發(fā)覺，在相對(duì)較低的流速時(shí)，其最大表面減阻可達(dá)30%，但隨著流速的增加這種減阻效果下降，緣由歸于表面粗糙度的影響。目前，有關(guān)這方面的爭(zhēng)辯有待進(jìn)一步深化。一 超疏水自清潔表面爭(zhēng)辯進(jìn)展1 超疏水表面自清潔原理 超疏水表面的自清潔原理是基于“荷葉效應(yīng)”。20 世紀(jì)90 年月，德國(guó)植物學(xué)家波恩高校Barthlott等12揭示了荷葉表面的結(jié)構(gòu)，發(fā)覺荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結(jié)構(gòu)，荷葉表面具有微米

4、級(jí)的乳突，乳突上有納米級(jí)的蠟晶物質(zhì)，這種微-納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導(dǎo)致水滴極易滾落。水滴在超疏水表面上的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象，在自清潔過程中起到了一個(gè)至關(guān)重要的作用：水滴在表面滾動(dòng)時(shí)會(huì)帶走表面的污染物或灰塵，從而達(dá)到自清潔的效果。2 常見超疏水表面制備現(xiàn)狀 人工制備超疏水表面雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但進(jìn)展特殊快速，有效的制備方法也越來越多，主要有模板法、靜電紡絲法、相分別與自組裝法、溶膠-凝膠法、刻蝕法、水熱法、化學(xué)沉積與電沉積法、納米二氧化硅法、腐蝕法等。目前人工超疏水表面主要包括超疏水薄膜表面超疏水涂層表面、超疏水金屬表面及超疏水織物等方面。3 超疏水表面爭(zhēng)辯存在的問

5、題超疏水表面由于其獨(dú)特的表面性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前制備超疏水表面的方法雖然很多，但仍需開發(fā)能夠經(jīng)濟(jì)、大面積制備具有長(zhǎng)久、穩(wěn)定超疏水性能表面的方法?，F(xiàn)在該領(lǐng)域的爭(zhēng)辯重點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。（1）開發(fā)簡(jiǎn)潔經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的制備方法 現(xiàn)有的大多數(shù)制備超疏水表面的方法或難以適用于大面積制備，或涉及較昂貴的低表面能物質(zhì)如含氟硅氧烷，或涉及特定的有機(jī)溶劑。為了擴(kuò)大超疏水表面的應(yīng)用范圍，必需開發(fā)出簡(jiǎn)潔經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的制備方法。如可將模板法和現(xiàn)有的工業(yè)上生產(chǎn)一般塑料薄膜的流延技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)適于工業(yè)化量產(chǎn)超疏水薄膜的創(chuàng)新技術(shù)。（2）提超群疏水表面的強(qiáng)度和長(zhǎng)久性 超疏水表面的自清潔原理不像TiO2 超親

6、水表面由光催化降解和超親水性共同打算，而是由單純的超疏水物理特性打算的。因此，在長(zhǎng)時(shí)間的戶外使用過程中，很多超疏水性表面對(duì)水的接觸角會(huì)隨戶外使用時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，疏水性和自潔性降低。這主要是由于空氣中的灰塵、有機(jī)污染物等在固體表面吸附聚集引起的。為了提超群疏水自清潔表面的長(zhǎng)久性，Nakajima 等和Yamauchi 等發(fā)覺，將少量的TiO2 粉體添加到超疏水性透亮涂層中，能夠賜予涂層自清潔性能，并能夠使涂層在長(zhǎng)時(shí)間的戶外使用過程中保持超疏水性。（3）開發(fā)超雙疏表面超疏水表面一般都親油，在油性環(huán)境或長(zhǎng)期使用中，油會(huì)在表面富集從而影響表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響自清潔性能。為了提超群疏水表面的抗油性能，除

7、了上面提到的引入TiO2 納米粒子外，還可以開發(fā)超雙疏表面。超雙疏表面是指與水和油的接觸角都二 超疏水自清潔表面產(chǎn)業(yè)化狀況 超疏水表面由于其廣泛的應(yīng)用前景，近年來也已成為材料爭(zhēng)辯的熱點(diǎn)。目前超疏水表面的工業(yè)化產(chǎn)品大多是超疏水涂層，如德國(guó)的STO 公司應(yīng)用荷葉效應(yīng)原理開發(fā)了有機(jī)硅荷葉效應(yīng)乳膠漆，表面接觸角高達(dá)142°，表現(xiàn)出了優(yōu)異的自清潔力量。北京首創(chuàng)納米科技有限公司成功研發(fā)出了系列“納米防護(hù)液”，該產(chǎn)品是含有特殊納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)的水性液體，涂覆在紡織品、玻璃和石材等基材表面，能自組裝成具有荷葉表面結(jié)構(gòu)的涂層，賜予表面防水、防油和防污的自潔效果。上海滬正納米科技有限公司開發(fā)出了無色透亮玻璃

8、自清潔涂層，產(chǎn)品經(jīng)刷涂或噴涂到各種金屬、玻璃、大理石、瓷磚、塑料、紡織品、木制品等表面，數(shù)秒鐘內(nèi)就可形成牢固耐用的納米愛護(hù)層，該涂層仿照荷葉超疏水的自潔功能，水在其上有如落在荷葉上快速滑落，使涂層表面保持清潔。在超疏水織物方面，基于超疏水原理的納米自清潔技術(shù)已基本成熟。美國(guó)NANOTEX 公司運(yùn)用納米技術(shù)開發(fā)的Nano-care 功能性面料是一種具有自清潔功能的面料，它與傳統(tǒng)的防護(hù)涂層織物相比，耐久性更加好，織物保持了松軟的手感和良好的透氣性；瑞士Schoeller Textil AG 公司則推出了新一代的Nano-Sphere 涂層技術(shù)，該Nano-Sphere 涂層在織物表面形成一層極細(xì)的

9、納米微粒結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變水或者其它污物（油、番茄醬、咖啡、紅酒、蜂蜜等）和織物表面的接觸面積，使水或者污物會(huì)從涂層表面滑落，從而達(dá)到防水防污的效果。若有殘留污物只需要少量水就可以沖洗潔凈（可以低溫水洗），并且經(jīng)過多次水洗之后，照舊有效；另外，德國(guó)BASF 公司也成功將仿荷葉效應(yīng)-Mincor® TX TT 技術(shù)運(yùn)用到紡織品上，于2006 年成功開發(fā)出了超疏水自清潔聚酯雨篷，進(jìn)一步擴(kuò)大了超疏水自清潔紡織品的應(yīng)用范圍。在超疏水薄膜和超疏水金屬表面方面，雖然很多制備方法已經(jīng)具備了量產(chǎn)的可能，但尚未見有商業(yè)化的公開報(bào)道。三 結(jié)語 超疏水自清潔涂層雖已有工業(yè)化應(yīng)用，但是超疏水性能的穩(wěn)定性和長(zhǎng)久性還有

10、待提高，特殊是耐水壓沖擊性能還有待爭(zhēng)辯，以防止經(jīng)暴雨沖刷后破壞表面結(jié)構(gòu)（如將微塵嵌入微納坑內(nèi)），降低超疏水性能。另外，現(xiàn)有的超疏水涂層功能比較單一，假如能在其中摻雜其它功能性粒子，則可大大擴(kuò)大超疏水涂層的應(yīng)用范圍。超疏水自清潔薄膜雖已具備量產(chǎn)技術(shù)，但所制表面的均勻性較難把握。在現(xiàn)有的超疏水薄膜制備方法中最簡(jiǎn)潔把握表面均勻性的是模板法，但現(xiàn)在用的模板大多是經(jīng)荷葉翻模制得的軟模板，耐久度不夠，不易多次重復(fù)使用，面積上更是與大規(guī)模制備要求差距甚遠(yuǎn)。如能制得與軟模版類似的硬金屬模版特殊是輥狀模版，則可以接受當(dāng)前塑料薄膜制備的主流技術(shù)流延技術(shù)大面積制備超疏水薄膜，為工業(yè)化量產(chǎn)供應(yīng)一條簡(jiǎn)潔有效的路線。參考文獻(xiàn)1,基于無機(jī)納米結(jié)構(gòu)調(diào)控材料表面潤(rùn)濕性（學(xué)位論文）作