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低表面能超疏水涂层理论模型及原理

2019-01-07 10:17
纳米防水
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低表面能疏水涂料的分类

低表面能疏水涂层具有防水、防雾、防雪、防污染、抗粘连、抗氧化、防腐蚀、自清洁以及防止电流传导等重要特点,在科学研究和生产、生活等诸多领域中具有极为广泛的应用前景。低表面能疏水涂层通常分为两类。一类是光滑表面的低表面能涂层,该涂层表面的静态水接触角θ>90°;还有一类则是超疏水涂层,它是一种具有特殊表面性质的新型涂层,该固体涂膜的水接触角大于150°且水接触角滞后小于5°。前一种涂层研究起步比较早,已经广泛应用于抗沾污领域。而第二种涂层是近年来才发展起来的较新的研究领域,比如纳米防水网的VZ-SW是电子产品PCB板防水疏水的优秀代表。

德国STO公司下属的ISPO公司,根据荷叶效应机理和硅树脂外墙涂料的实际应用结果,经过3年研究工作,于20世纪90年代末成功地把荷叶效应移植到外墙乳胶漆中,开发了微结构有机硅乳胶漆,即荷叶效应乳胶漆。

谢琼丹等利用2种聚合物在同一种溶剂中溶解度不同的原理,得到了表面具有类似荷叶的微米-纳米双元结构的涂层。首先采用常规的自由基聚合和缩合聚合合成了PMMA和EPU这2种聚合物,然后将它们经过分离提纯后溶于同一种溶剂制得了超疏水涂层,水接触角可达166°,滚动角仅为(3.4±2.0)°。另外,利用上述同样的原理,用原子转移自由基聚合的方法合成了嵌段共聚物PS-b-PDMS和PP-b-PMMA,并以嵌段共聚物为成膜物,得到了水接触角分别为167°和160°的涂层。Sun等最近报道了一种纳米浇铸的方法制备的超疏水的表面。他们首先利用荷叶作为初始模板制作一个阴极模板,然后利用阴极模板制作阳极模板。阳极的模板与荷叶表面有同样的表面结构和超疏水性。

虽然据称“荷叶效应”是一种简单的制备超疏水涂层的方法,但是此类超疏水产品并无很大的实用价值。而市场上流通的所谓有“荷叶效应”的涂料并不具有超疏水性质,仅具有一定的疏水特性,且接触角都在120°以下,并且由于添加了一些蜡、含氟添加剂等,使用寿命大大缩短。

由此可见,仿生学在涂料疏水性方面的应用目前并不成熟,尤其在超疏水领域仅处于理论研究阶段,今后仍将继续为研究热点。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21~22mN/m,全氟烷则更小,为10mN/m,比一般的有机化合物都小,远比水的表面能(72.8mN/m)小,具有显著的疏水性。

采用有机硅树脂制得的漆膜水接触角一般在100°左右,疏水能力一般,耐水时间短,在水中短时间浸泡会使表面能逐渐增大,疏水性下降明显。因此有机硅树脂在疏水涂层制备方面的应用受到了限制。

有机氟化合物中的氟原子决定了其具有特殊的性能。氟是元素周期表中电负性最大的元素,其半径小、C—F键长短、键能大以及含氟聚合物主链连接的氟原子沿着锯齿状C—C键作螺旋状分布的特征,使得聚合物主链受到严密的屏蔽而免受外界因素(光、水、氧以及化学物品)的直接作用,从而提高了有机氟聚合物的耐候性、抗氧化性及耐腐蚀性。有机氟化合物分子间的凝聚力低,空气和聚合物界面间的分子作用力小,表面自由能低,表面摩擦系数小,赋予了有机氟聚合物优异的耐水性、耐油性及耐磨性。正是由于含氟聚合物具有上述优异的特殊性能,含氟单体及其聚合物在电子防水防潮领域的研究也就成为了主流。

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