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低表面能超疏水涂層理論模型及原理
疏水涂料的理論模型
液體在固體表面的潤(rùn)濕特性常用楊氏方程描述 固體表面的潤(rùn)濕性是由固體表面的化學(xué)組成和表面三維微結(jié)構(gòu)決定的 中科院江雷等研究發(fā)現(xiàn)荷葉表面的乳突（平均直徑5~9μm)上還存在納米結(jié)構(gòu)（124.3±3.2）nm 圖1 荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)及超疏水效果 提高固體表面粗糙度，對(duì)于疏水表面（θ＞90°，cosθ為負(fù)值；而親水表面θ＜90°，cosθ為正值，提高粗糙度可形成超親水表面）則可大大提高其疏水性，水接觸角可高達(dá)150°以上。根據(jù)Wenzels理論,浸潤(rùn)性由固體表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同組成,一定的表面微觀粗糙度不僅可以增大表面靜態(tài)接觸角,進(jìn)一步增加表面疏水性,而且更重要的是可以賦予疏水性表面較小的滾動(dòng)角,從而改變水滴在疏水性表面的動(dòng)態(tài)過程。Cassie在此基礎(chǔ)上考慮到實(shí)際當(dāng)中固-液界面間的空氣氣泡，提出了應(yīng)用更為廣泛的Cassies模型和方程，其中f為液體接觸固體表面的分?jǐn)?shù)。超疏水涂膜的獲得源于自然界，可通過仿生的方法人工構(gòu)建粗糙表面并進(jìn)行疏水修飾8。固體表面潤(rùn)濕模型見圖2。 圖2 固體表面潤(rùn)濕模型 接觸角方程如下： 式中：γSV、γSL、γLV分別為固-氣、固-液 荷葉效應(yīng)的涂膜，必須同時(shí)具備三方面的特性: ⑴具有低表面能的疏水性表面； ⑵合適的表面粗糙度； ⑶低滾動(dòng)角 通過2種方法可實(shí)現(xiàn)荷葉效應(yīng)：一種是加入超強(qiáng)疏水劑，如氟硅類表面活性劑 低表面能疏水涂料的分類 低表面能疏水涂層具有防水、防霧、防雪、防污染、抗粘連、抗氧化、防腐蝕、自清潔以及防止電流傳導(dǎo)等重要特點(diǎn)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)、生活等諸多領(lǐng)域中具有極為廣泛的應(yīng)用前景。低表面能疏水涂層通常分為兩類。一類是光滑表面的低表面能涂層，該涂層表面的靜態(tài)水接觸角θ＞90°；還有一類則是超疏水涂層，它是一種具有特殊表面性質(zhì)的新型涂層，該固體涂膜的水接觸角大于150°且水接觸角滯后小于5°。前一種涂層研究起步比較早，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于抗沾污領(lǐng)域。而第二種涂層是近年來才發(fā)展起來的較新的研究領(lǐng)域，比如青山新材料的TIS-NM納米涂層是電子產(chǎn)品PCB板防水疏水的優(yōu)秀代表。 德國(guó)STO公司下屬的ISPO公司，根據(jù)荷葉效應(yīng)機(jī)理和硅樹脂外墻涂料的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果，經(jīng)過3年研究工作，于20世紀(jì)90年代末成功地把荷葉效應(yīng)移植到外墻乳膠漆中，開發(fā)了微結(jié)構(gòu)有機(jī)硅乳膠漆，即荷葉效應(yīng)乳膠漆。 謝瓊丹等利用2種聚合物在同一種溶劑中溶解度不同的原理，得到了表面具有類似荷葉的微米-納米雙元結(jié)構(gòu)的涂層。首先采用常規(guī)的自由基聚合和縮合聚合合成了PMMA和EPU這2種聚合物，然后將它們經(jīng)過分離提純后溶于同一種溶劑制得了超疏水涂層，水接觸角可達(dá)166°，滾動(dòng)角僅為（3.4±2.0）°。另外 雖然據(jù)稱“荷葉效應(yīng)”是一種簡(jiǎn)單的制備超疏水涂層的方法，但是此類超疏水產(chǎn)品并無很大的實(shí)用價(jià)值。而市場(chǎng)上流通的所謂有“荷葉效應(yīng)”的涂料并不具有超疏水性質(zhì)，僅具有一定的疏水特性，且接觸角都在120°以下，并且由于添加了一些蠟、含氟添加劑等，使用壽命大大縮短。 由此可見，仿生學(xué)在涂料疏水性方面的應(yīng)用目前并不成熟，尤其在超疏水領(lǐng)域僅處于理論研究階段，今后仍將繼續(xù)為研究熱點(diǎn)。有機(jī)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為21~22mN/m，全氟烷則更小，為10mN/m，比一般的有機(jī)化合物都小，遠(yuǎn)比水的表面能（72.8mN/m）小，具有顯著的疏水性。 采用有機(jī)硅樹脂制得的漆膜水接觸角一般在100°左右，疏水能力一般，耐水時(shí)間短，在水中短時(shí)間浸泡會(huì)使表面能逐漸增大，疏水性下降明顯。因此有機(jī)硅樹脂在疏水涂層制備方面的應(yīng)用受到了限制。 有機(jī)氟化合物中的氟原子決定了其具有特殊的性能。氟是元素周期表中電負(fù)性最大的元素
