郭春芳

(山東絲綢紡織職業(yè)學(xué)院,山東 淄博 255300)

超疏水性材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

郭春芳

(山東絲綢紡織職業(yè)學(xué)院,山東 淄博 255300)

簡述了超疏水性表面的特征,介紹了近年來超疏水性材料在日常生活、工農(nóng)業(yè)及國防等領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用,同時展望了超疏水性材料的研究趨勢.

超疏水性;材料;應(yīng)用

落在荷葉上的雨滴形成水珠順著葉面緩緩滾動而落下,這種抗水性稱為荷葉效應(yīng).這是由于荷葉表面的疏水層呈現(xiàn)納米級的凹凸不平,減少了水珠與葉面的接觸面積.植物葉子表面具有的超疏水自清潔的特性,為構(gòu)建人工疏水表面及設(shè)計浸潤性可控的界面提供了靈感,引起了研究者的極大關(guān)注.近年來,超疏水性表面的研究已成為比較活躍的研究課題之一,這對制備新的高性能的功能材料表面有重要的作用.

1 超疏水性表面的特征

潤濕性是指液體與固體表面接觸時,液體可以漸漸滲入或附著在固體表面上,是固體表面的重要特征之一,這種特征由固體表面的化學(xué)組成及微觀結(jié)構(gòu)共同決定.接觸角和滾動角是評價固體表面潤濕性的重要參數(shù),理論上疏水表面既要有較大的接觸角,又要有較小的滾動角.超疏水性表面一般是指與水的接觸角大于150°,而滾動角小于10°的表面,這樣的表面具有防雪、防污染、抗氧化及防止電流傳導(dǎo)等特性.

植物葉子表面有許多叢生的放射狀微茸毛,該微茸毛尖端極易親水,入水后能瞬間鎖定水分子,使葉片表層到茸毛尖端之間形成了一薄層空氣膜,從而避免葉片與水直接接觸.Barthlott[1]研究發(fā)現(xiàn),這種微茸毛由乳突及蠟狀物構(gòu)成,其為微米結(jié)構(gòu).中科院研究員江雷[2]研究發(fā)現(xiàn),乳突為納米結(jié)構(gòu),這種納米與微米相結(jié)合的雙微觀結(jié)構(gòu)正是引起表面防污自潔的根本原因.

文獻(xiàn)[3]的研究表明,具有較大接觸角和較小滾動角的超疏水性表面結(jié)構(gòu)為微米級及納米級結(jié)構(gòu)的雙微觀復(fù)合結(jié)構(gòu),且這種結(jié)構(gòu)直接影響水滴的運(yùn)動趨勢.超疏水表面的結(jié)構(gòu)通常采用兩種方法,一是在疏水材料表面上構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu),二是在粗糙表面上修飾低表面能物質(zhì).由于降低表面自由能在技術(shù)上容易實現(xiàn),因此超疏水表面制備技術(shù)的關(guān)鍵在于構(gòu)建合適的表面微細(xì)結(jié)構(gòu).當(dāng)前,已報道的超疏水表面制備技術(shù)主要有溶膠一凝膠法、模板法、自組裝法及化學(xué)刻蝕法等[4].

2 超疏水性材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

由于超疏水性材料具有許多獨(dú)特的表面性能,如自清潔、防腐蝕、生物相容性及超疏水性等,因此廣泛地應(yīng)用于日常生活、國防及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中,同時也引起了人們對超疏水性材料研究的極大興趣.

2.1 在日常生活領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用

2.1.1 研究現(xiàn)狀

陶曉彥等人[5]對柱狀結(jié)構(gòu)陣列碳納米管膜的超疏水材料的研究有了很大的進(jìn)展,并已成功地制備出了超疏水和超雙疏的陣列碳納米管薄膜、超疏水的聚合物納米纖維(包括通過分子結(jié)構(gòu)的重排,將親水性高分子制備成為超疏水性納米結(jié)構(gòu)薄膜)及全p H值范圍內(nèi)呈現(xiàn)超疏水性的碳纖維薄膜;利用熱響應(yīng)性,實現(xiàn)了溫控下高分子的超親水和超疏水之間的可逆轉(zhuǎn)換;另外,還成功地制備出了具有疏水納米結(jié)構(gòu)的無機(jī)半導(dǎo)體薄膜和在紫外光控制下超親水、超疏水可逆轉(zhuǎn)換的陣列納米結(jié)構(gòu)的氧化鋅,進(jìn)而制備出了超疏水與超親水可控的納米界面材料.

2.1.2 在日常生活中的應(yīng)用

空調(diào)夏天制冷時,換熱器上會產(chǎn)生大量冷凝水,需要專門的排水管排到室外,這不僅降低了空調(diào)的能效比,還容易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象,更為嚴(yán)重的會造成室內(nèi)的空氣濕度不斷減小,使人們生活、工作的環(huán)境惡化.同樣,冬天空調(diào)制熱時,室外機(jī)換熱器會結(jié)霜,為了除霜不得不經(jīng)常停掉空調(diào),這不僅浪費(fèi)電能不利于制熱,還容易出現(xiàn)各種故障.東南大學(xué)化工系陳志明教授[6]研究發(fā)現(xiàn),空調(diào)換熱器的表面用超疏水材料處理后,不僅能避免上述問題的出現(xiàn),還能明顯降低空調(diào)器的噪聲,延長空調(diào)器的使用壽命,且可節(jié)約空調(diào)器的設(shè)計成本.經(jīng)過工業(yè)涂覆驗證,其各項性能指標(biāo)均達(dá)到了國際水平,可代替進(jìn)口產(chǎn)品.

眾所周知,冰箱(冰柜)內(nèi)膽表面凝聚 FOFMTEXT冷凝水,結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象嚴(yán)重,使導(dǎo)熱率降低,不利于制冷并影響食物保存且耗費(fèi)電能.王躍河[7]將納米超疏水技術(shù)應(yīng)用于制冷領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn),采用超疏水內(nèi)膽或者在內(nèi)膽上采用特殊工藝附上一層納米超疏水材料,內(nèi)膽表面上的小水滴就會自動滑落不在內(nèi)膽上沉積,從而避免內(nèi)膽表面出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象.超疏水界面材料還可用在室外天線等戶外設(shè)備上,可有效防止積雪,從而保證高質(zhì)量的接收信號.

2.2 在工業(yè)領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用

粟常紅等人[8]通過傳統(tǒng)的機(jī)械處理和分散納米二氧化硅的方法在金屬表面上制備出了具有微-納米雙微觀結(jié)構(gòu)的類荷葉的超疏水表面涂膜,該涂膜的接觸角高達(dá)173°.該方法簡單,易于實現(xiàn)大面積制品的制作.超疏水涂膜以其獨(dú)特的性能有著廣泛的應(yīng)用前景,但當(dāng)前的制備技術(shù)制約了其在建筑外墻等大型設(shè)施方面的應(yīng)用.曲愛蘭等人[9]就超疏水表面涂膜存在的問題及發(fā)展方向進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)利用表面能極低的含氟材料,將溶膠-凝膠法、相分離技術(shù)及自組裝梯度功能等技術(shù)有機(jī)結(jié)合,可獲得適宜的表面粗糙度及雙微觀結(jié)構(gòu),是實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)超疏水涂膜的可行方法.

江雷研究小組[2]通過控制表面形態(tài)及模仿生物表面,成功制備出了超疏水自清潔、滾動各向異性及高黏附性超雙疏水表面,這種雙疏水界面材料會給人們的日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大的便利和高附加產(chǎn)值.將超雙疏界面材料涂在輪船的外殼、燃料儲備箱上,可以達(dá)到防污、防腐的效果;用于輸送石油的管道中,可以防止石油粘附管道壁,從而減少運(yùn)輸過程中的損耗并防止石油管道堵塞;用于水中運(yùn)輸工具或水下核潛艇表面上,可以減少水的阻力,提高行駛速度;用于半導(dǎo)體傳輸線上,可防止雨天因水滴放電而產(chǎn)生的噪音;用于微量注射器針尖上,可以完全消除昂貴的藥品在針尖上的黏附及由此帶來的對針尖的污染;涂有超雙疏水劑的紡織品和皮革,是一種很好的防水防污材料.超疏水材料廣泛地應(yīng)用于基因傳輸、微流體、無損失液體輸送、防污染及抗氧化等方面,也可望用于建筑、車輛的防污染等方面,這對實現(xiàn)免清洗、智能化自清潔等具有重要的意義.

2.3 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用

我國大棚蔬菜的快速發(fā)展迫切需要大面積的超疏水薄膜.目前,制備超疏水表面的方法很多,由于制備原料或設(shè)備比較昂貴,制備條件苛刻費(fèi)時費(fèi)力,因此需要采用簡單、省時省力的方法來制備低成本、大面積的超疏水薄膜,以滿足實際需要.馬英等人[10]運(yùn)用相分離原理,以通用塑料為原料,用簡單的方法制備出大面積的附著性很好的超疏水薄膜,并在不同實驗條件下對薄膜浸潤性的影響因素進(jìn)行了探討和研究.Han等人[11]在室溫條件下,采用溶膠-凝膠法,用超大分子有機(jī)硅構(gòu)造出超疏水性表面,這種方法簡單且可以生產(chǎn)大面積薄膜.

2.4 在國防領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用

段輝等人[12-13]采用酸堿兩步催化的表面凝膠化技術(shù),以簡單的工藝及廉價的設(shè)備,在 PTFE摻雜的醇溶性氟化聚合物/有機(jī)硅溶膠涂層的表面,形成了納米級二氧化硅粒子與微米級的 PTFE粒子組成的粗糙結(jié)構(gòu),經(jīng)過氟化聚合物固化交聯(lián),制備出了具有有機(jī)涂層力學(xué)性能的超疏水涂層材料.這種材料的階層結(jié)構(gòu)與天然荷葉表面的極其相似,接觸角達(dá)到150°以上,涂層的綜合力學(xué)性能良好,可望應(yīng)用于軍事艦船、潛艇的表面,以防止海生物附著,提高航速.

3 超疏水性材料的研究趨勢

近年來,對超疏水性表面的理論研究已經(jīng)取得了大量的成果[14-15],但制備方法并不多,且多數(shù)制備方法存在實驗條件苛刻、步驟繁瑣、成本高等問題,現(xiàn)已投入市場的超疏水性材料也存在如表面微細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、易老化、易磨損、易污染、使用壽命短等缺點(diǎn).今后必將加大在如下方面的研究:實現(xiàn)高性能功能材料表面的超疏水性;運(yùn)用納米材料的制備技術(shù),實現(xiàn)在廣泛的材料基底上制備超疏水性材料;研究超疏水性的機(jī)理,開發(fā)制備超疏水性材料的有效方法;對超疏水性表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入地研究,以改進(jìn)和提高超疏水性材料的制備工藝.

4 結(jié) 語

荷葉等植物表面的超疏水特性為研究超疏水性材料提供了理論依據(jù)和實踐證明.目前,關(guān)于荷葉效應(yīng)的作用機(jī)理和自組裝分子膜的潤濕行為仍是國內(nèi)外學(xué)者們研究的熱點(diǎn).超疏水性材料由于具備自清潔、防腐蝕、生物相容性及超疏水性等獨(dú)特性能,使其在日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用.將來,隨著理論研究的不斷深入,以及制備工藝的優(yōu)化和制備方法的創(chuàng)新,超疏水性材料的研究必將在實際應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮巨大的作用.

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Research progress and application of super-hydrophobic materials

GUO Chun-fang
(Shandong Silk Textile Vocational College,Zibo255300,China)

The surface characteristic of super-hydrophobic materials was introduced and the application of super-hydrophobic materials in daily life,industry and agriculture and national defence was also summarized.Further research of super-hydrophobic materials was proposed as well.

super-hydrophobic;materails;applications

TQ 423.4

A

1673-9981(2010)03-0161-03

2010-05-20

郭春芳(1977—),女,山東德州人,講師,碩士.