納米技術(shù)超疏水自潔表面涂層的應(yīng)用與研究進(jìn)展

       近年來(lái)，納米技術(shù)超疏水原理的自清潔表面涂層在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用非常廣泛?；诔杷淼淖郧鍧嵄砻嬗捎谄洫?dú)特的表面微觀結(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(chē)和飛機(jī)擋風(fēng)玻璃、衛(wèi)星天線、高壓電線，甚至機(jī)車(chē)和飛機(jī)涂裝等方面具有重要應(yīng)用前景。

納米技術(shù)表面涂層自潔功能

如果建筑物的外墻、露天的廣告牌等表面像荷葉一樣，就可以保持清潔。馬達(dá)等微小部件可以防止油污，防油攀爬，汽車(chē)的擋風(fēng)玻璃不再總是落滿灰塵和油污微顆粒，電子數(shù)碼產(chǎn)品不怕意外落入水中而損壞，織物不會(huì)被輕易染上污垢。

納米技術(shù)表面涂層減阻功能

船只等在水面航行時(shí)需要消耗很多的能源來(lái)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(lái)克服流固表面的摩擦阻力。

隨著微機(jī)電的發(fā)展, 機(jī)構(gòu)尺度越來(lái)越小，固液界面中的摩擦力相對(duì)越來(lái)越大,如微通道流等摩擦阻力問(wèn)題已成為相關(guān)器件發(fā)展的一個(gè)重要的制約因素。

因此盡量減少表面摩擦阻力是提高航速和節(jié)約能源的主要途徑。

近年來(lái)利用超疏水表面減阻的研究越來(lái)越受研究者的重視。如利用超疏水硅表面進(jìn)行減阻研究中發(fā)現(xiàn)，減阻可達(dá)30%-40%。利用改性硅橡膠和聚氨酯樹(shù)脂為主，添加低表面能無(wú)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實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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，原因歸于表面粗糙度的影響。目前，有關(guān)這方面的研究有待進(jìn)一步深入。

納米技術(shù)超疏水涂層研究進(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 年代，德國(guó)植物學(xué)家波恩大學(xué)Barthlott等^[1－2]揭示了荷葉表面的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)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)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，在自清潔過(guò)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(jiàn)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)，但發(fā)展特別迅速，有效的制備方法也越來(lái)越多，主要有納米二氧化硅法、化學(xué)沉積與電沉積法、溶膠-凝膠法、模板法、靜電紡絲法、相分離與自組裝法、刻蝕法、水熱法、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.超疏水表面研究存在的問(wèn)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(kāi)發(fā)能夠經(jīng)濟(jì)、大面積制備具有持久、穩(wěn)定超疏水性能表面的方法。現(xiàn)在該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。 

 （1）開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單經(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，必須開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)單經(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(kāi)發(fā)適于工業(yè)化量產(chǎn)超疏水薄膜的創(chuàng)新技術(shù)。

 （2）提高超疏水表面的強(qiáng)度和持久性 

    超疏水表面的自清潔原理不像TiO2 超親水表面由光催化降解和超親水性共同決定，而是由單純的超疏水物理特性決定的。因此，在長(zhǎng)時(shí)間的戶外使用過(guò)程中，許多超疏水性表面對(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。為了提高超疏水自清潔表面的持久性，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，將少量的TiO2 粉體添加到超疏水性透明涂層中，能夠賦予涂層自清潔性能，并能夠使涂層在長(zhǎng)時(shí)間的戶外使用過(guò)程中保持超疏水性。

 （3）開(kāi)發(fā)超雙疏表面涂層

    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。為了提高超疏水表面的抗油性能，除了上面提到的引入TiO2 納米粒子外，還可以開(kāi)發(fā)超雙疏表面。超雙疏表面是指與水和油的接觸角都很大，水和接觸角會(huì)略大于油的接觸角。實(shí)際上目前市場(chǎng)上如青山新材的TIS納米涂層已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，可以使電子產(chǎn)品PCB板表面疏水疏油，即超雙疏。

超疏水表面涂層產(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(lái)也已成為新材料研究的熱點(diǎn)。產(chǎn)品經(jīng)刷涂或噴涂再或者浸涂到各種金屬、玻璃、大理石、瓷磚、塑料、紡織品、木制品等表面，數(shù)秒鐘內(nèi)就可形成堅(jiān)固耐用的納米保護(hù)層，水在其上有如落在荷葉上迅速滑落，使涂層表面保持清潔。

    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(kāi)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)異的自清潔能力。深圳青山新材攜手日本資深納米材料研究機(jī)構(gòu)共同研制出TIS納米防潮涂層，專門(mén)應(yīng)用于電子產(chǎn)品PCB線路板上，使PCB板具有防水、防潮、抗鹽霧腐蝕、防油污的功能，并且成功應(yīng)用到目前很受消費(fèi)者歡迎的藍(lán)牙運(yùn)動(dòng)耳機(jī)、電子煙、智能家居產(chǎn)品、汽車(chē)控制板等產(chǎn)品上，性能遠(yuǎn)超同類(lèi)型產(chǎn)品，其涂層厚度僅為2-6微米，幾乎是肉眼不可見(jiàn)的級(jí)別，散熱好并且不增加電子產(chǎn)品厚度，施工技術(shù)簡(jiǎn)單并且速干，在這個(gè)電子產(chǎn)品越來(lái)越小越來(lái)越薄的時(shí)代，TIS納米涂層深受電子3C類(lèi)產(chǎn)品制造商喜愛(ài)，投入市場(chǎng)后短期就獲得了不少上市公司的青睞;美國(guó)NANOTEX公司運(yùn)用納米技術(shù)開(kāi)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，織物保持了柔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)的納米微粒結(jié)構(gòu)，改變水或者其它污物（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干凈（可以低溫水洗），并且經(jīng)過(guò)多次水洗之后，依然有效；另外，德國(guó)BASF 公司也成功將仿荷葉效應(yīng)MincorTX TT 技術(shù)運(yùn)用到紡織品上，于2006 年成功開(kāi)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，雖然許多制備方法已經(jīng)具備了量產(chǎn)的可能，但尚未見(jiàn)有商業(yè)化的公開(kāi)報(bào)道。

結(jié)束語(yǔ) 

     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)定性和持久性還有待提高，特別是耐水壓沖擊性能還有待研究，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，如果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。

參考文獻(xiàn)

1.基于無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)調(diào)控材料表面潤(rùn)濕性（學(xué)位論文）作者：郭翠

2.基于超疏水原理的自清潔表面研究進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)化狀況  作者：鄭建勇

3.超疏水表面潤(rùn)濕性與流動(dòng)減阻機(jī)理研究（學(xué)位論文）作者：呂田上海交通大學(xué)

4.從自然到仿生的超疏水納米界面材料  作者：江雷