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神奇的超疏水材料:我虐水滴千百遍,水滴待我如初恋!

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神奇的超疏水材料:我虐水滴千百遍,水滴待我如初恋!

一盆水泼向一块金属板,水珠像钢珠一样滚落,金属板仍然干爽;一只船桨浸入水缸,拿出来竟然未带出一滴水珠,就像是从没放进去过一样;一杯水倒在一块经过特殊处理的玻璃板上,水紧紧靠在中央“不越雷池半步”,即使用手搅出来一两滴也立即跑回去……

这些违背我们肉眼“常识”的现象,就是“超疏水材料”捣的鬼。这种通过改变材料的表面自由能和表面粗糙度获得的新型材料,灵感来自于自然界中的荷叶。由于其防水、防腐蚀、抗菌的特殊效果,如今已经成为国际热门的研究领域,可以在环保、工业、医疗等各种你想象不到的领域大展身手。

一、超疏水简介

超疏水技术是一种具有特殊表面性质的新型技术,具有防水、防雾、防雪、防污染、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要特点,在科学研究和生产、生活等诸多领域中有极为广泛的应用前景。

超疏水技术对于建筑工业、汽车工业、金属行业等的防腐防锈及防污也很有现实意义。特别是近年来的微电子系统、光电子元器件及纳米科技等高新技术的高速发展,给超疏水涂层的研究和应用于勃勃生机。

超疏水材料的研究以诗句“出淤泥而不染,灌清涟而不妖”为契机,以科学的手段向我们解释这一奇特的自然现象,荷花表面覆盖的天然超疏水薄膜,使得水滴聚集成股,顺势流下,冲刷着荷叶表面的淤泥,营造了出淤泥而不染的状态。因此荷叶在雨后会变得一尘不染,这种现象在生活中很常见,我们称之为“荷叶效应”。

二、超疏水现象

荷叶效应--超疏水性原理

为什么“粗糙”表面能产生超疏水性呢?对于一个疏水性的固体表面来说,当表面有微小突起的时候,有一些空气会被“关到”水与固体表面之间,导致水珠大部分与空气接触,与固体直接接触面积反而大大减小。

由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形,其接触角可达150度以上,并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西,也会被滚动的水珠带走,这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”。而一般疏水表面的接触角仅大于90度。

三、自然界中的超疏水现象

1999年,Barthlott和Neihuis认为:自清洁的特征是由于粗糙表面上的微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共通引起的;乳突的平均直径为5~9um。

荷叶表面的微/纳米复合结构

2002年,江雷等提出微米结构下面还存在纳米结构,二者相结合的阶层结构才是引起表面超疏水的根本原因。

单个乳突由平均直径为120nm结构分支组成。

超疏水各向异性的水稻叶子

水稻叶表面存在滚动的各向异性,水滴更容易沿着平行叶边缘的方向流动。

超疏水的蝉翼表面

蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成,纳米柱的直径大约在80nm,纳米柱的间距大约在180nm,规则排列纳米突起所构建的粗糙度使其表面稳定吸附了一层空气膜,诱导了其超疏水的性质,从而确保了自清洁功能。

超疏水的水黾腿

水黾,通过其腿部独特的微纳米复合阶层结构实现超疏水和高表面张力。

四、超疏水性的两个仿生原理

莲花效应:“出淤泥而不染”是莲叶表面的一种特性,它不但拥有超疏水的性质,还同时具备自洁的功能,这一切都源自于莲叶表面的维纳双尺度结构。科学及根据这种特性来制造纳米超疏水仿生材料。

物体的表面不存在绝对的光滑,水滴会在表面铺张开来浸润表面。

莲叶表面有着很多纳米级的小触角,这些触角之间的间隙小刀甚至不能容纳水滴,进而形成液体、气体、固体的混合形式,“撑”起了水滴。

事实上莲叶表面还有一层生物蜡,同样起到疏水的作用,独特的表面微纳结构和生物蜡共同造就了莲叶的超疏水性。

猪笼草效应:猪笼草依靠独特的方式“捕捉”昆虫。猪笼草会分泌一种香甜的粘液,而其实这种液体非常湿滑,昆虫一不小心就会滑到“瓶底”,最后被消化。

莲叶和猪笼草的超疏水特性给这种仿生材料带来两种制备方法:通过改变物体表面来达到超疏水的效果,或是通过增加一层超疏水涂层来获得超疏水特性。

五、超疏水表面

超疏水表面的种类

黏附力响应性超疏水表面:可用于微流体开关、液滴输送和传感器等方面

耐腐蚀超疏水表面:在工业上有着重要应用,尤其是用于金属防护

超亲油和超疏油表面:在油水分离方面有着很好的应用前景

透明超疏水涂层:可作为飞机、汽车等挡风玻璃、眼镜片、墙体玻璃等表面涂层

超疏水表面的制备方法

等离子刻蚀法、模板法、电化学方法、溶胶-凝胶法、熔化-固化法、腐蚀法、相分离法、化学气相沉积法、溶剂-非溶剂成膜、其他方法。

六、超疏水材料的应用

在建筑防污耐水等领域内的应用

如用于室外天线、光电转换器及太阳能帆板上可以防止雨雪的粘附;在船舶提高浮力方面的应用,利用新型超疏水材料制成的超级浮力材料,可以使船表面具有超疏水性,并因此在其表面形成具体版的“空气垫”;

在管道运输方面的应用

如用于石油管道的输送,药物输液器;

在织物及过滤材料方面的应用

超疏水织物可被用作防雨/雪服、军用作战服以及帐篷;

在微流体控制方面的应用

用于微量注射器针尖,可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由此带来的对针尖的污染;

在电池和燃料电池方面的应用

如采用经超疏水涂屡修饰的硅材料作为电池的两个电极,从而有效的将液体电解质从活性电极材料上分离而阻止了电极反应的发生,这样延长了电池的保质期。

船只等在水面航行时需要消耗很多的能源来克服行进中的摩擦阻力,对于水下航行体如潜艇等甚至可达到80%;而对于运输管道如输油(水)管道,其能量几乎全部被用来克服流固表面的摩擦阻力。随着微机电的发展,机构尺度越来越小,固液界面中的摩擦力相对越来越大,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。近年来利用超疏水表面减阻的研究越来越受研究者的重视。如利用超疏水硅表面进行减阻研究中发现,减阻可达30%-40%。利用改性硅橡胶和聚氨酯树脂为主,添加低表面能无机填料或有机填料,在制成的双组分涂料的疏水表面减阻的实验中发现,在相对较低的流速时,其最大表面减阻可达30%,但随着流速的增加这种减阻效果下降,原因归于表面粗糙度的影响。目前,有关这方面的研究有待进一步深入。

七、超疏水材料的产业链

上游:聚酰亚胺、聚异丙基丙烯酞胺、含氟聚合物等

中游:超疏水材料

下游:石油管道、建筑房屋、电池、超疏水织物、微量注射器等

8超疏水材料的专利分析

九、超疏水材料市场分析

①优势分析

我国目前材料消费市场以新型环保为消费理念;其次,超疏水材料可以分别应用于日常生活领域、医药卫生领域、工农业生产领域及国防事业领域,其涉及面广泛,可以更加优越的采取“多品牌”策略,以各种不同的产品敲开不同的市场之门,缓解竞争压力。宣传推广的优势。

②弱势分析

超疏水材料技术,对其深入了解的人群仅限于研究人员及知识分子,并不为大多数人所知晓,因此,推广难度大。

目前,大多数制备方法还存在实验条件苛刻、步骤繁琐、成本高等问题,现已投入市场的超疏水材料也存在如表面微细结构强度低、易老化、易磨损、易污染、使用寿命短等缺点。

③机会分析

国家政策的支持:从我国国情和科技、产业基础出发,现阶段选择节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车七个产业,在重点领域集中力量,加快推进;科学技术发展迅猛国家提倡强化科技创新,提升产业核心竞争力,因而给超疏水材料的发展营造良好的国内发展环境;国家支持发展小微企业及新兴企业,同时,加大财税金融等政策扶持力度,引导和鼓励社会资金投入。

④威胁分析

超疏水材料的研究成本偏高;其次,在投入生产时就需要有资金实力强的大厂商,出现进入门槛高的现象;最后,为实现超疏水材料的质量、性能等方面的优良,就需要具有相关专业知识和理论基础的技术人员,这也加大了其成本费用。

打破高价格障碍是超疏水材料进入市场的关键,价格的挑战促使超疏水材料研究者致力于开发低成本的新型材料,以推动其产品的市场化进程。

超疏水材料在保持其高价格的同时也要看到其优良的性能和使用寿命带来的经济效益。与此同时,要努力改进加工技术,扩大生产规模,走商品化的生产化道路,只有在生产规模达到一定水平后,超疏水材料才能达到企业所接受的水平。

由于材料市场的可替代品多,且价格的层次不齐,产品收篇会大打折扣。

⑤前景分析

首先,依赖简单经济,环保友好的制备方法,顺应“绿色环保科技”的发展理念,率先给民众树立良好的产品形象,潜移默化地赢得顾客青睐。

其次,从实际应用的角度出发,制作的产品贴合群众生活,从日常生活领域拓展产品的深入步伐,其拓展领域之大可想而知。

最终,在工农业等领域逐渐打开市场,进行市场的全方位经营。总之,超疏水材料的优良性能是其深入市场的利剑,只要把握好其对象。定会迅速抢占市场先机。

十、超疏水材料的研究前沿

疏水疏油的超双疏表面:事实上很多疏水材料都没有办法躲过油脂带来的影响,后者会污染超疏水层而使得材料表面丧失超疏水性。现在已经有科学家研究制备能够在被油污染的情况下仍能保持超疏水性和自洁能力的超双疏材料。而该原理为“猪笼草效应”。

高强度超疏水涂层:超疏水材料的另一个问题是硬度和耐久度差,使用寿命不长。为此科学家使用了很巧妙的方式来解决这个问题。方法就是在超疏水涂层的底下增加一层喷胶,这种改进方法让超疏水涂层的硬度和耐久度都有很大的提升,即使用砂纸磨、拿刀割,超疏水涂层仍然能保持应有的性能。

莱斯大学的科学家开发了一种新型超疏水纳米材料,可以简化从水中保护材料表面的过程。该材料采用改性的羧酸包覆合成的氧化铝纳米颗粒,这种羧酸中的链具有疏水效果,从而形成粗糙表面。这种粗糙表面是疏水材料的一个特征,可以捕捉一个空气层,从而减少了表面和水滴之间的接触,使得水滴可以滴落;具有的接触角是155°,从而是一种非常好的疏水涂层。这种材料的潜在应用包括可用于海洋的减小摩擦涂层。该材料具有分层结构,从而可以维持这种材料的特性。

十一、超疏水材料的研究展望

①存在的问题

成本高。材料的开发涉及较贵的低表面能物质,如含氟或硅烷的化合物;

制作疏水材料的设备要求高、条件苛刻、周期长;

由于表面特殊的微结构,导致机械强度差,易被外力破坏,限制了使用

疏水性持久性不强,已被油性物质污染。

②发展方向

既疏水又疏油的超双疏材料研究,即要实现通过外部刺激实现表面自由能的切换或开关功能;

表面微结构的几何形貌、尺寸与表面浸润性,尤其是与滞后角直接联系的定量研究还有待深入;

应用领域有待拓展;

低成本化;

实用性的加强。

十二、国内知名研究企业

目前,国内比较知名的超疏水材料企业有:无锡顺业科技有限公司、杭州旭冉科技有限公司、广州弘中环保科技有限公司、上海微谱化工技术服务有限公司等。

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