1、涂料与涂装原理结课报告学 号 061120132 姓 名 胡建军 主 题 超疏水涂料 指导老师 郑兴顺老师 近年来，随着人们对生活质量要求的不断提高以及环保和节能意识的不断增强，具有自清洁功能的表面得到了迅速的发展。自清洁表面是指表面的污染物或灰尘在重力或雨水、风力等外力作用下能够自动脱落或被降解的一种表面。超疏水自清洁表面由于其独特的性能，在现实中的应用非常广泛，如建筑物窗玻璃、运输工具窗玻璃、挡风玻璃、后视镜、浴室镜子、眼镜镜片、测量仪器的玻璃罩等，当潮湿空气冷凝时，水滴在表面滚落，使表面维持高度的透明性，给车辆的安全行驶及工作效率的提高带来了极大的便利，具有广阔的应用前景。然后，我们将超
2、疏水材料的应用拓展到了油水分离领域中，利用无电位沉积方法和溶液浸泡方法制备了两种同时具有超疏水和超亲油性质的铜网，相对于传统的分液漏斗而言，我们所制备的铜网分离效率更高，仪器更为简单。最后，我们利用原电池的方法制备了超疏水金属材料并将其应用到防腐蚀领域中，这样我们就将抗腐蚀材料的制备和电能的产生有机地结合在了一起，具有重要的理论意义和实际价值。人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类: 当接触角小于 90 时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于 5，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧
3、水（体积比为 7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于 90 时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于 150，那么我们认为这种材料是超疏水材料，水滴不能在其表面稳定停留，极易滑落。超疏水涂料必须同时具备三方面的特性：具有低表面能的疏水性表面；合适的表面粗糙度；低滑动角。关于润湿性的理论研究 ，在理想固体表面上，可以用杨氏方程来表述。一般认为，接触角越大其表面疏水性也就越高。但是，实验中发现，在自身重力的作用下，液滴在倾斜表面上的接触角将会发生改变，存在接触角滞后的现象。接触角滞后是指固体表面的前进接触角与后退接触角之间的差异。
4、前进接触角是指在增加液滴体积时，液滴与固体表面接触的三相线将要移动而没有移动时的接触角，后退接触角是指缩小液滴体积时液滴与固体表面接触的三相线将要移动而未移动时的接触角。前进角总是大于后退角，两者的差值称为接触角滞后值。接触角滞后的程度代表了液滴从固体表面脱离的难易程度。接触角滞后越小，说明液滴越容易从固体表面滚落。从以上理论分析可知，疏水涂料的疏水性离不开低表面能材料，超疏水性的实现离不开特定的表面粗糙度的疏水表面。有机硅/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为 2122 mN/m，全氟烷则更小，为 10 mN/m，比一般的有机化合物都小，远比水的表面能(72.8
5、mN/m)小，具有显著的疏水性。氟元素的电负性最强，原子半径很小，原子极化率很低，有机氟化合物中 CF 键键能大，氟原子沿着碳键作螺线形分布，具有屏蔽效应，分子间作用力小，表面能很低。氟碳涂料中 PTFE、FEP 、ECTE 、ETFE、PFA 等是常用的耐候绝缘疏水涂料。也有人用 PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物等来制作超疏水涂膜。但氟树脂与基体表面存在弱界面层，与金属等基体结合强度差，需结合其它技术提高其对底材的粘附力，应用范围有明显限制。以后氟聚合物涂料发展为含氟聚氨酯、含氟丙烯酸酯、含氟环氧树脂等具有功能性的高耐候性建筑涂料。这些氟聚合物涂料在成膜过程中含氟组分或侧基向
6、涂料表面迁移，排列在涂层的表面，且其分子链上的氟原子在涂层/空气界面处定向排列，获得较高的表面疏水性。人们关于粗糙度对固体表面润湿性特别是水接触角的影响工作做了很多深入的研究，疏水涂料要达到超疏水性，必须使用特定的工艺技术来提高固体表面的粗糙度。目前为止主要通过提高固体表面粗糙度来增强疏水性表面的方法有模板法、溶胶- 凝胶法、层层自组装法、化学沉积、蚀刻、相分离等方法。固体表面的纳米结构对疏水材料的显著的荷叶疏水性能起到重要的作用，它可以产生很高的接触角。溶胶-凝胶法以分子种类如硅、钛、锡、铝或锆的烷氧化物为前驱体，与无机化合物等通过溶液、溶胶、凝胶过程而固化制备出立体网状结构的纳米或纳米杂化
7、材料，是一种很有前途的方法，在发达国家的疏水涂料研究中占有重要的地位。有机硅是此法中常使用的一类材料，可用具有较强疏水侧链的前驱体如长链硅烷偶联剂、含氟烷基三乙氧基硅烷与其它前驱体或无机纳米材料通过溶胶-凝胶过程直接制备出疏水或超疏水涂膜。疏水性和透明性常是一对竞争的特性，在粗糙表面上尤为突出。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处理固体表面。当涂膜厚度较大时，键接在分子中低表面能的基团或低表面能的添加剂在涂料成膜过程中向空气一侧迁移，形成局部的浓度梯度分布或相分离，阻止光的透过。侧链含有有机硅和含氟的基团，基团本身表面能低于主链的碳氢基团，在涂膜过程中向涂膜空气界面一侧迁移
8、，产生局部浓度的不均匀性，出现显著的表面疏水性的同时对光的透过有不同程度的影响，特别是侧链基团长度较长或体积较大时，涂膜呈不同程度的光泽，可出现光亮、亚光或者完全不透明的现象。这种现象在涂膜较厚时尤为明显。固体的性能需用涂料表面处理才能得到有效防护，疏水涂料可隔绝环境中的水、灰尘、酸、碱、盐、微生物及其代谢产物、生活污染物等腐蚀介质，防止腐蚀介质渗透到金属、玻璃、混凝土、陶瓷等固体表面而造成腐蚀，以及降低光和其它微粒子对固体性能的影响。疏水涂料在金属防腐蚀、陶瓷玻璃防污、水泥混凝土防水抗渗、自清洁涂料等方面发挥了巨大作用，大大延长了材料的使用寿命。特别是新型的硅氟纳米复合材料疏水技术，不仅具有显著的疏水防污效果，还提供了耐候、耐久和耐划伤性的涂层。而超疏水技术在纺织、基因传输、微流体以及无损伤输送、光电子微器件等高新技术领域中显示的高性能和诱人的应用前景，更使疏水涂料获得全新的生命力。总而言之，固体表面的润湿性是一种复杂的性质，它对固体的其它各种表面特性都有影响。目前对固体材料的润湿性的控制、超疏水涂料工业化的研究仍很有限，有待进行详尽的探索。超疏水涂料涉及表面科学、纳米科技、材料科技等众多领域，是一种工业上非常重要的技术，是纳米科技的应用体现之一。
