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纳米疏水涂层原理

派旗纳米 浏览次数:16169 分类:行业资讯

近年来,随着人们生活水品的不断提高以及环保节能意识的不断增强,具有自清洁效率的表面纳米疏水涂层得到了迅速发展。自清洁表面指表面的污染物或污渍、尘土能在重力或雨水、风力等外力作用下自动脱落或被降解的一种表面,基于超疏水涂层原理的自清洁表面主要是指接触角是150°、滚动角SA<10°的类荷叶表面。
纳米超疏水涂层由于其独特的效率,在现实中的应用领域非常的广泛。基于超疏水原理的自清洁表面由于其独特的表面微观结构和优异的超疏水性能,使雨水、冰雪、风沙等难以在其表面附着,因而在汽车、建筑玻璃和飞机挡风玻璃、卫星天线、高压电线,甚至机车和飞机涂装等方面具有重要应用前景。如果露天的广告牌、建筑物的外墙等表面像荷叶一样,就可以保持清洁。
船只等在水面航行时需要消耗很多的能源来克服航行中的摩擦阻力,对于水下航行体如潜水艇等的阻力甚至可达到80%;而对于运输管道如输水(油)管道,其能量几乎全部被用来克服流固表面的摩擦阻力。随着微机电水泵的发展, 水泵的尺度越来越小,固液界面中的摩擦力也就会相对的越来越大了,如微通道流等摩擦阻力问题已成为相关器件发展的一个重要的制约因素。因此尽量减少表面摩擦阻力是提高航速和节约能源的主要途径。
近年来利用纳米超疏水涂层减阻的研究越来越受研究者的重视。如利用纳米超疏水涂层涂抹或喷涂的方式在表面进行减阻研究中发现,减阻可达30%-40%。利用氟化合物为主,在物体表面添加无机或有机涂料中疏水表面减阻的实验中发现,在相对较低的流速时,其最大表面阻力降低可达到30%,但随着流速的增加这种减阻效率下降,原因归于表面粗糙度不平的影响。                                                            (纳米疏水涂层的实验效果)

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纳米超疏水涂层自清洁原理:

  1. 纳米超疏水涂层的自清洁原理是基于“荷叶效应”。20 世纪90 年代,德国植物学家波恩大学Barthlott等揭示了荷叶表面的结构,发现荷叶的“自洁性”源于其表面的微纳结构,荷叶表面是有微米级的乳突,乳突上有纳米级的蜡晶物质,这种微-纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角,导致水珠随着物体摇摆极易滚动。水珠在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象,在自清洁过程中起到了一个至关主要的作用:水珠在表面滚动时会带走表面的污染物或污渍、尘土,从而达到自清洁的效果。
  2. 常见超疏水涂层制作现状
    人工制作超疏水涂层虽然时间不长,但发展特别迅速,有效的制作方法也越来越多,主要有化学沉积与电沉积法、模板法、静电纺丝法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、水热法、纳米二氧化硅法、腐蚀法等。目前人工超疏水表面主要包括纳米超疏水涂层、纳米超疏水涂层、超疏水金属表面及超疏水织物等方面。
  3. 纳米超疏水涂层研究存在的问题
    纳米超疏水涂层由于其独特的表面性能,具有广泛的应用市场。目前制作超疏水涂层的方法虽然很多,但仍需开发能够降低经济、功能具有持久、稳定的超疏水涂层。
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现在该领域的研究重点应集中在以下几个方面:

  1. 开发简单经济、绿色无污染的制作方法现有的大多数制作纳米超疏水涂层的方法或难以适用于大面积制备,或涉及较昂贵的低表面能物质如含氟硅氧烷,或涉及特定的有机溶剂。为了扩大超疏水涂层的应用范围,必须开发出简单经济、绿色无污染的制作方法。
  2. 提高超疏水涂层的强度和持久性纳米超疏水涂层的自清洁原理不像TiO2 超亲水表面由光催化降解和超亲水性共同决定,而是由单纯的超疏水物理特性决定的。因此,在长时间的户外使用过程中,许多超疏水性涂层会对水的接触角会随户外使用时间的延长而减小,疏水性和自洁性降低。这主要是由于空气中的灰尘、有机污染物等在固体表面吸附聚集引起的。为了提高纳米超疏水涂层自清洁表面的持久性,Nakajima 等和Yamauchi 等发现,将少量的TiO2 粉体添加到超疏水性透明涂层中,能够赋予涂层自清洁性能,并能够使涂层在长时间的户外使用过程中保持超疏水性。

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