出现了“不滴落”的超疏水涂层

作者:王师傅 分类:涂料 日期:2021-06-22 19:44:49 浏览:269

回到南天,地上全是水和墙;出汗;,让人疯狂。在一些行业,水更危险:它带来细菌、腐蚀和污染。碰巧我们周围到处都是水。破坏;难以防范。不欢迎的时候有什么办法把水挡在外面?超疏水材料发挥着重要作用。

在一次TED演讲中,科学家把一盆水倒在一个金属板上,水滴滚得像钢珠,金属板还是干的;一只桨浸到水箱里,拿出来却没有带出一滴水,仿佛从来没有放进去过;一杯水倒在经过特殊处理的玻璃板上,水紧紧压在中心;不要越界;,就是用手搅出一两滴,马上跑回

由于防水、防腐等特殊效果,迫切需要从实验室走向实际推广应用

这些都是违背我们肉眼的;常识;现象是;超疏水材料;该死。这种新材料是通过改变表面自由能和表面粗糙度获得的,灵感来自自然界的荷叶。由于其特殊的防水、防腐、抗菌作用,成为世界研究的热点领域,可以在环保、工业、医疗等你无法想象的各个领域展现自己的才华。

1.微观尺度的微纳复合结构

材料表面的自由能决定了材料是亲水的还是疏水的。自由能越低,疏水性越强。表面的微观粗糙度决定了亲水和疏水的强度。表面越粗糙,疏水性越强

一个水滴滴落在材料表面,如果扩散很快,就是亲水或超亲水表面;如果水滴是球形的,可以滚动,那么它们就是疏水的,甚至是超疏水的表面。

自然界一些植物的叶表面具有超疏水性质和自清洁功能,* *典型的是荷叶表面,形成;荷叶的自洁效果:,;出淤泥而不染;。

超疏水性能是如何形成的?如果我们理解了这一点,自然界的超疏水现象就有可能被人类所利用。

华南理工大学化学化工学院一位研究超疏水材料的专家解释说,根据热力学定律,表面能高的物质不能在表面能低的物质表面扩散。水是一种表面能较高的物质,所以表面能比水低的物质,比如一些含有硅和氟的物质,会表现出疏水性,在这样的表面上,水会尽可能地把自己收缩成球体。

低表面能的化学组成和结构决定了该物质是否疏水,但仅仅疏水性质是不够的。20世纪三四十年代,科学家发现了表面粗糙度微结构与润湿性的关系。在微观环境中,液体滴落在固体表面,但不能完全充满粗糙固体表面的凹面。液滴和固体凹面之间还有空气体。

宏观上,固液接触界面实际上是由气液界面和固液界面组成的混合界面。微观表面越粗糙,气体越锁空与水接触越少,固体越疏水。

1997年,德国生物学家巴特·巴特洛特(Barth Barthlott)等研究人员对近300种植物的叶表面进行了研究,认为植物叶片的自清洁特性是由粗糙表面的微结构乳突和表面的疏水性蜡质物质造成的。

荷叶看起来光滑明亮,在电子显微镜下却是另一番景象:表面覆盖着颗粒状的乳头状突起,看起来粗糙不平。这些乳突被许多纳米级的蜡状晶体覆盖。防水蜡和微米乳突使荷叶表面超疏水。

根据上述专家的说法,材料表面的自由能决定了材料是亲水还是疏水。表面自由能越低,疏水性越强;表面的微观粗糙度决定了亲水性和疏水性的强度。表面越粗糙,疏水性越强。因此,当表面疏水时,增加固体表面的粗糙度可以增加表面的疏水性。

2002年,我国纳米材料专家姜磊的团队发现荷叶表面微结构的乳突上仍有纳米结构,乳突平均直径为5;9微米,每个乳突表面分布有直径为(124 μm;3)纳米绒毛。乳突之间的表面也存在纳米结构。此外,荷叶的下表面也可以发现纳米结构,可以有效防止荷叶下层被弄湿。

原来只有微结构还不够强大,微纳多层结构才是自然界疏水现象的终极奥秘。

研究人员通常使用接触角来表示液体对固体的渗透程度,即亲水和疏水的程度。接触角是气液界面通过液体的切线与固液界面的夹角。如果水滴在材料表面呈* *球形,则说明该板是一种完全疏水的材料,接触角为180°;;如果水完全铺展在表面,说明材料非常亲水,接触角为0度;。

接触角越大,润湿程度越低。超疏水表面顾名思义,一般是指与水的接触角大于150°;表面上。

现实中的平面往往不是水平的,而是倾斜的。水滴可能会在斜面上滚动或停滞,这也是亲水性和疏水性的表现。这种状态需要用滚转角来表示。滚动角是指液滴在固体表面开始滚动时的临界表面倾角。如果液滴开始滚动的倾角越小,说明这个表面的超疏水性越好。

根据上述专家的说法,水滴滚下,去污能力强于滑下,而倾斜光滑表面上的水滴大多处于滑动状态,这解释了超疏水表面的自清洁特性。

2.向大自然学习制造超疏水材料

人们受到自然界的启发,产生了各种具有超疏水性质的材料,而各向异性的研究可以控制液体在固体中渗透的方向和程度

除了荷叶,还有许多表面具有超疏水结构的生物。据上述专家介绍,蝉翅表面由规则排列的纳米柱状结构组成,直径约80纳米,间距约180纳米。规则排列的纳米突起产生粗糙度,使一层空气体膜稳定吸附在蝉翅表面,诱导超疏水性能,从而保证自清洁功能。

壁虎脚趾也有令人着迷的等级结构。显微镜观察显示,它的脚趾是由成千上万个类似丝绸的东西组成的;鳞片;而每一块;丝绸;它包含数百个像铲子一样的微小结构。这种结构使得壁虎的脚极其粗糙,可以随意在墙上爬行。

江湖上的人;铁腿浮在水面上;虽然它的重量很小,但水黾主要是靠腿的超疏水结构才能浮在水面上。姜磊的团队对水黾的腿进行了深入细致的研究,发现水黾的腿表面定向排列着微米级的针状刷毛,刷毛上有螺旋状的纳米级凹槽结构。刷毛可以被凹槽内的气泡吸附,形成气垫,让水黾在水面上自由穿梭滑行,不会弄湿腿。

受水漫步者的启发,许多研究人员设计了新的超级浮力材料。哈尔滨工业大学应用化学系的潘博士等研究人员以多孔铜网为基材,将其制成几个邮票大小的微型船只,浸泡在硝酸银等溶液中,使船只表面超疏水。

这种材料还具有微纳结构表面,可以在船舶外表面形成空气垫,改变船舶与水的接触状态,降低船体表面在水中的阻力。这种微型船可以在水面上自由漂浮,比它自己的大排量多承受50%的重量。

水滴在某些植物的叶面上滚动时,表现出各向异性,可以简单解释为不同方向的性质不同。姜磊的研究小组观察到,稻叶表面的水滴总是沿着平行于叶脉的方向滚动。原来稻叶表面具有类似荷叶表面微纳组合的多层次结构,但在稻叶表面,乳突沿平行于叶片边缘的方向排列整齐,垂直方向排列非常好任性;因此,水滴更容易沿着平行于静脉的方向滚动和下落。

2009年,姜磊的团队发现了在蝴蝶翅膀表面滚动的水滴的各向异性。蝴蝶翅膀上覆盖着微米级的鳞片,每个鳞片上分布着有序的纳米带结构,每个纳米带由倾斜的周期性薄片堆叠而成。这种特殊的微观结构导致了水滴在蝴蝶翅膀表面滚动时的各向异性。

这些结果为制备润湿性可控的固体表面提供了重要信息。通过掌握这些,人们不仅可以控制固体和液体是否被渗透,还可以控制液体渗透的方向和程度。

3.让超疏水材料走出实验室

超疏水材料具有广泛的应用,涵盖航空航天、军事工业、建筑、医疗等各个方面。然而,由于目前技术和开发成本的限制,实际的产业化和商业化并不多

超疏水性能可以通过哪些方式应用?许多研究者提出了他们的设想。

想想和我们生活息息相关的东西。具有抗菌自清洁效果的超疏水表面,可用于日常生活用品,减少清洁的麻烦;冰箱、冰柜等制冷设备的内胆表面,没有水、霜、冰的凝结;可用于建筑物内外墙、玻璃、金属框架的防水、防雪、防污等方面,可大大降低建筑物的清洗和维护成本。

虚心一点。在天然气和石油管道内壁表面涂覆超疏水分子膜,可以防止管道腐蚀,提高油气输送效率。它可以应用于远洋船舶的底部,以防止污染和腐蚀。

超疏水材料在微流控应用中也具有突出的性能。研究人员提出,控制微滴的运动和流动,制造微滴控制针,可以在实验或生产过程中精确控制液滴的计量,实验试剂的添加会更加方便。

有专家认为,如果将这种技术应用到静电喷涂领域,比如用超疏水材料制作喷漆、喷胶的喷嘴,雾滴会更均匀,雾化效果更好,可以用在对喷涂效果有特殊要求的场合。

据上述专家介绍,超疏水材料的制备方法有多种,包括模板法、等离子体法、化学气相沉积法、静电纺丝法、溶胶-凝胶法等。,其基本上在具有低表面能的材料上构建粗糙表面。

这些方法要么太贵;要么设备要求高,条件苛刻,周期长,只能在实验室少量制造;要么疏水表面强度不耐磨;要么疏水持久性不强,容易被油性物质污染;目前,研究人员在绞尽脑汁将其投入实际应用的同时,也在尝试制作不同结构和特性的疏水材料,如一些既疏水又疏油的超疏水材料。

目前,华南理工大学化学化工学院相关团队在制备超疏水涂层方面进展良好。制备微纳米复合粒子后,与有机硅复合制成涂料,喷涂该涂料可制备超疏水涂料,已成为少数具有实际应用价值的技术方法之一。

针对超疏水涂层易磨损导致强度不足的问题,上述团队还提出了新的思路:先在物体表面涂一层胶,再喷涂疏水涂层,使疏水涂层更好的附着在物体表面,疏水强度得到保证。

* *英国伦敦大学学院化学系博士生路遥在最新一期《科学》杂志上也提出,在胶粘剂上喷涂超疏水涂层,可以有效改善超疏水涂层易磨损的弱点。把超疏水领域的弱点交给更成熟的粘接技术去克服;。



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