“滴水不進”的超疏水涂料出現(圖)
涂料網訊回南天地板冒水墻壁冒汗讓人抓狂在一些行業(yè)水更是讓人如臨大敵水會帶來細菌帶來腐蝕帶來污染偏偏在我們周圍水又無處不在搞破壞防不勝防有沒有辦法在不歡迎水的時候把它擋在門外?超疏水材料擔起了重任
在一場TED演講中科學家將一盆水潑向一塊金屬板水珠像鋼珠一樣滾落金屬板仍然干爽一只船槳浸入水缸拿出來竟然未帶出一滴水珠就像是從沒放進去過一樣一杯水倒在一塊經過特殊處理的玻璃板上水緊緊靠在中央不越雷池半步即使用手攪出來一兩滴也立即跑回去
因防水防腐蝕等特殊效果廣受關注 亟待從實驗室走向實際推廣和應用
這些違背我們肉眼常識的現象就是超疏水材料搗的鬼這種通過改變材料的表面自由能和表面粗糙度獲得的新型材料靈感來自于自然界中的荷葉由于其防水防腐蝕抗菌的特殊效果如今已經成為國際熱門的研究領域可以在環(huán)保工業(yè)醫(yī)療等各種你想象不到的領域大展身手
1.微觀尺度下的微納復合結構
材料表面的自由能決定了這個材料是親水還是疏水自由能越低疏水性越強表面微觀的粗糙度則決定了親疏水的強度表面越粗糙疏水性越強
一顆水珠滴在材料表面如果它迅速鋪展開來就是親水或超親水表面如果水珠形成球形能夠滾來滾去就是疏水乃至超疏水表面
自然界中的某些植物葉表面具有超疏水性質和自清潔功能最典型的便是荷葉表面形成了荷葉自潔效應出淤泥而不染
超疏水的性質是怎樣形成的?弄清楚這個自然界的超疏水現象就可能為人類所利用了
華南理工大學化學與化工學院一位研究超疏水材料的專家解釋按照熱力學的規(guī)律表面能高的物質無法在表面能低的物質表面鋪展開水是表面能比較高的物質因此表面能比水低的物質如一些含硅氟的物質就會表現出疏水性水在這樣的表面會盡量讓自己縮成一個球形
低表面能的化學組成結構決定了物質是否疏水但僅有疏水性質還不夠20世紀三四十年代科學家就發(fā)現了表面粗糙度微結構與浸潤性之間的關系在微觀環(huán)境中液體滴在固體表面上并不能完全填滿粗糙固體表面上的凹面在液滴與固體凹面之間還存在著空氣
宏觀上看到的固體和液體的接觸界面實際上是由氣液界面和固液界面共同組成的混合界面微表面越粗糙鎖住的空氣就越多與水的接觸就越少固體就越疏水
1997年德國生物學家巴特洛特（Barthlott）等研究人員通過對近300種植物葉表面進行研究認為植物葉片的自清潔特性是由粗糙表面上微米結構的乳突以及表面疏水的蠟質材料共同造就的
看起來平滑光潔的荷葉在電子顯微鏡下卻是另外一番情景表面布滿了顆粒狀的乳突看起來粗糙不平這些乳突及乳突之間又被眾多納米級的蠟質晶體所覆蓋防水的蠟和微米級的乳突使得荷葉表面呈現超疏水的特性
上述專家介紹材料表面的自由能決定了這個材料是親水還是疏水表面自由能越低疏水性越強而表面微觀的粗糙度則決定了親水和疏水的強度表面越粗糙疏水性越強因此表面疏水時增大固體表面的粗糙度就能增大表面的疏水性
2002年我國著名納米材料專家江雷的團隊發(fā)現在荷葉表面微米結構的乳突上還存在納米結構乳突的平均直徑為59微米每個乳突表面分布著直徑在（124±3）納米的絨毛乳突之間的表面也存在著納米結構另外在荷葉的下一層表面同樣可以發(fā)現納米結構它可以有效地阻止荷葉的下層被潤濕
原來僅僅是微米結構疏水性還不夠強微納多層結構才是自然界疏水現象的終極奧秘
研究者通常以接觸角來表達液體對固體的浸潤程度也就是親疏水的程度接觸角是氣液界面的切線穿過液體與固液界面之間的夾角如果水珠在材料表面是完美的球形也就意味著這塊平板是完全疏水的材料接觸角是180°如果水完全平鋪在表面表示材料很親水接觸角是0°
接觸角越大浸潤程度就越低按照定義超疏水表面一般是指與水的接觸角大于150°的表面
現實中的平面往往不是水平的更多的是斜面水滴在傾斜表面上可能滾動或停滯這也是親疏水性的一種表現這種狀態(tài)需要用滾動角進行表述滾動角是指液滴在固體表面開始滾動時的臨界表面傾斜角度如果液滴開始滾動的傾斜角越小表明這個表面的超疏水性越好
上述專家介紹水珠滾落去污能力比滑落強而傾斜的光滑表面水珠多處于滑動狀態(tài)這就解釋了超疏水表面的自清潔特性
2.向自然學習制作超疏水材料
人們從大自然受到了多重啟發(fā)制造出同樣具有超疏水性質的各種材料對各向異性的研究則可控制液體在固體的哪個方向什么程度上發(fā)生浸潤
除了荷葉還有很多生物的表面具有超疏水結構上述專家介紹蟬翼表面由規(guī)則排列的納米柱狀結構組成直徑約為80納米納米柱的間距約180納米規(guī)則排列的納米突起構建起了粗糙度使蟬翼表面穩(wěn)定吸附了一層空氣膜誘導了超疏水的性質從而確保了自清潔功能
壁虎的腳趾頭也具有迷人的層次結構微觀觀察可以看到其腳趾由成千上萬像絲綢一樣的鱗片和每一片絲綢包含的幾百個像鏟子一樣的細微結構組成這樣的結構使得壁虎腳掌異常粗糙能在墻壁上隨意爬行
江湖上人稱鐵腿水上漂的水黽雖然自身重量很小但它能浮于水面上主要還是靠它腿部的超疏水結構江雷的團隊對水黽腿進行了深刻細致的研究發(fā)現水黽腿表面定向排列著微米級的針狀剛毛并且剛毛上還有螺旋狀的納米級溝槽結構剛毛可以吸附在構槽中的氣泡形成氣墊從而讓水黽能夠在水面上自由地穿梭滑行卻不會將腿弄濕
在水黽的啟發(fā)下許多研究者設計了新型超級浮力材料哈爾濱工業(yè)大學應用化學系的潘欽敏博士等研究人員就以多孔狀銅網為基材并將其制作成數艘郵票大小的微型船然后通過硝酸銀等溶液的浸泡處理使船表面具備超疏水性
這種材料同樣具有微納米結構的表面可在船外表面形成空氣墊改變船與水的接觸狀態(tài)使船體表面在水中所受阻力更小這種微型船在水面自由漂浮的同時可以承載比自身最大排水量多50%的重量
水滴在某些植物的葉表面滾動時會表現出各向異性可以簡單解釋為在不同方向上表現出的性質不同江雷的課題組觀察到水稻葉表面水滴總是沿著平行葉脈方向滾動原來水稻葉表面具有類似于荷葉表面的微納米相結合的多級結構但是在水稻葉表面乳突沿平行于葉邊緣的方向排列得井井有條垂直方向上的排列則很任性因此水珠更容易沿著平行葉脈方向滾動墜落
2009年江雷的團隊在蝴蝶翅膀表面也發(fā)現了水滴滾動的各向異性蝴蝶翅膀由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋每一個鱗片上又分布著排列整齊的納米條帶結構而每個納米條帶由傾斜的周期性片層堆積而成這種特殊微觀結構導致水珠在蝴蝶翅膀表面滾動時具有各向異性
這些研究結果為制備出浸潤性可控的固體表面提供了重要的信息掌握了這些人們不僅可以控制固體和液體是否發(fā)生浸潤還可以控制液體在固體的哪個方向什么程度上發(fā)生浸潤
3.讓超疏水材料走出實驗室
超疏水材料的應用面相當廣泛涵蓋航天軍工建筑醫(yī)療等各個方面然而由于受目前技術及開發(fā)成本等限制實際產業(yè)化及商品化的還不多
超疏水特性能應用在哪些方面?不少研究者對此提出了暢想
先想想跟我們生活息息相關的有抗菌自清潔效應的超疏水表面應用于生活用品可以減少清洗的麻煩冰箱冷柜等制冷設備的內膽表面上不再有凝聚水結霜結冰現象在建筑物內外墻玻璃及金屬框架等的防水防雪和耐沾污等方面應用可大大降低建筑物的清潔及維護成本
思路開闊一點天然氣石油管道內壁表面涂上超疏水分子膜能夠防止管道腐蝕提高油氣的傳輸效率將其涂在遠洋輪船船底可以防污防腐
超疏水材料在微流體控制應用上也有出色的表現研究者提出控制微液滴的運動和流動并以此制造微液滴控制針頭使得在實驗或生產過程中對液體滴加計量精確控制實驗試劑的添加將更得心應手
還有專家認為如果將這類技術運用到諸如靜電噴涂領域比如用超疏水材料制造噴漆噴膠等的噴頭將會使噴涂的液滴更加均勻霧化效果更好可以運用在對噴涂效果有特殊要求的場合
上述專家介紹超疏水材料目前主要有幾種制備方法包括模板法等離子法化學氣相沉積法靜電紡絲法溶膠-凝膠法等基本上都是在低表面能的材料上構造粗糙表面
這些方法要么過于昂貴要么設備要求高條件苛刻周期長只能在實驗室少量制造要么疏水表面強度不耐磨損要么疏水性持久性不強易被油性物質污染目前研究者一方面在想方設法制造出不同結構具有不同特性的疏水材料比如一些既疏水又疏油的超雙疏材料研究一方面也在絞盡腦汁讓它們走進實際應用
目前華南理工大學化學與化工學院相關團隊在制備超疏水性涂膜方面取得了良好的進展他們制備出微納復合結構的粒子后與有機硅復合做成涂料噴涂這種涂料即可制備超疏水涂膜成為為數不多的具有實際應用價值的技術方法之一
針對超疏水涂料易磨損而導致強度不夠的問題上述團隊也提出了新的思路在物體表面先涂一層膠水再噴涂疏水涂料這樣能使疏水涂料與物體表面更好地黏合疏水強度得到了保障
最近一期的《科學》雜志上英國倫敦大學學院化學系博士生陸遙也提出在黏膠上噴涂超疏水涂料的方法可以有效改善超疏水涂料易磨損的弱點將超疏水領域的弱點交給更加成熟的黏膠技術去克服
