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    4. 雙疏涂料,既疏水又疏油涂料,為什么這么難做?

      2024-01-08 09:07:51

      在10年前,我曾接到一個雙疏涂料項目,研發一個高光澤的既疏水又疏油的涂料。


      經過6個月的努力,嘗試各種技術路線,最終沒有達到目標。


      雙疏涂料,為什么這么難做呢?我們今天試著來分析一下。


      當涂料表面上水的接觸角大于90°時,為疏水表面,而接觸角大于150°時,稱為超疏水表面,不僅疏水也疏油,成為所謂雙疏表面。


      由于水的表面張力為72 mN/m,而油為20-30 mN/m,從這里看出,僅通過表面張力的改變是很難達到雙疏表面的。


      但人們發現自然界的荷葉,蕓苔表面僅為一般的蠟覆蓋,但與水的接觸角可達160°,表現出超疏水的性質,這種現象被稱為荷葉效應。


      水在蠟上的接觸角不可能有如此之高,是什么原因使荷葉等具有如此好的超疏水性呢?經研究證明這些天然植物表面無例外地都非常粗糙。


      荷葉表面由無數微米級乳突組成,每個微米級乳突上又為無數納米級乳突所覆蓋,這種微米納米結構造成荷葉具有極高的粗糙度。


      正是荷葉特殊的表面微觀形貌,使它具有超疏水性。為了更好地了解荷葉效應,我們使用楊氏公式,

      cosθ =(γSG -γSL)/γLG




      下圖:光滑表面上液滴的接觸角

      圖片

      楊氏公式中本征接觸角的大小只決定于表面張力,而表面張力是由化學組成決定的。


      在粗糙表面上接觸角不僅和表面張力有關也和表面粗糙度i有關,楊氏公式忽略了表面微觀形貌對接觸角的影響,因此楊氏公式只適用于光滑表面。


      當在粗糙表面上時,將粗糙度i引入公式,得到下式:

      cosθ'=i(γSG -γSL)/γLG

      θ'為在粗糙表面上的接觸角。也可表示為

      cosθ'=icosθ


      當液體在平滑表面上的接觸角大于90°時,i 增加時,θ' 遂漸增大,直至獲得超

      疏水表面或雙疏表面。


      進一步分析,在粗糙表面上的液滴并不一定能充滿所有溝槽,在液體下可能有空氣存在。


      用fs表示固體表面上固體的比例,這時空氣占比為1-fs,那么楊氏公式進一步改寫為:

      cosθ'=fs(1+cosθ)+1


      根據這個公式,具一定親水性質的表面,若其表面具有高粗糙度的特殊納米級微觀結構,可使表面穩定地存在一定面積的空氣,使液體與一定空氣接觸,也可得到超疏水表面。


      例如,在各種材料的表面上若有納米尺寸幾何形狀互補的微觀結構,如凹凸相間的納米結構,由于納米尺寸的凹的表面可使吸附氣體穩定存在,所以宏觀表面上相當于有一層穩定的氣體薄膜,使油和水無法直接和表面完全接觸,此時表面便可呈超雙疏性。


      超雙疏的漆膜表面具有十分重要的現實意義。超雙疏涂料可以作為自清潔涂料,可用于防止生物生長的艦船防污涂料和減阻涂料?,F在已有很多方法用于制造超硫水表面,如等離子表面聚合法、升華制孔法、化學沉積法、相分離法、模板刻蝕法和一步成膜法等,以上的物理或化學方法對制備大面積的涂層還是非常困難的。


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