超疏水与自清洁材料研究.docx

1、超疏水与自清洁材料研究超疏水-自清洁材料研究摘 要超疏水-自清洁材料是表面稳定接触角要大于150，滚动接触角小于10的特殊材料。由于超疏水表面具有自清洁、防黏附、防雪黏等功能, 在许多领域中用途广泛, 有关超疏水表面制备和理论研究成为研究的热点。本文通过对超疏水-自清洁材料原理、制备、应用及目前存在的问题等方面开展研究，综述了近年来超疏水理论的新进展，对超疏水-自清洁材料发展方向进行了展望。关键词：超疏水 自清洁 接触角 滚动角1 研究背景1.1背景近年来，植物叶表面的超疏水现象引起了人们的关注。所谓植物超疏水能力，就是植物叶面具有显著的疏水，脱附，防粘，自清洁功能等。荷花“出淤泥而不染”就是

2、因为其表面具有一层超疏水薄膜，能够使其具有自清洁的功能。科学家通过对超疏水的荷叶表面进行观察，他们发现，荷叶表面微纳双重结构是引起荷叶表面超疏水性能的根本原因。不只是荷花上有，昆虫的足上也有。比如水黾，蚊子都能在水上行走而不划破水面这就是因为其上面的超疏水材料。受自然界超疏水现象的启发，科学家在超疏水材料领域进行了不懈的探索。目前，一般有两种方法来制备超疏水材料：一种是在粗糙表面修饰低表面能物质；另一种是在疏水材料表面构建粗糙结构。由于超疏水材料独特的表面特性，使其可广泛应用：首先，可以自行清洁需要干净的地方；还可以放在金属表面防止水的腐蚀生锈；第三，基于对昆虫的研究我们还可以使水上飞行成为可

3、能，在船的表面加上超疏水膜减小阻力节省能源。因此超疏水材料在现实生产和生活中具有广阔的应用前景。基于此，我们小组对于超疏水材料展开了研究。1.2研究目的：（1）通过网络、书籍、杂志等多种途径得到大量关于超疏水、自清洁方面的最新文献；（2）归纳整理所得文献，得到详实清晰的数据、资料以及各方成果；（3）将整理好的数据资料等综合成文，最终形成一篇综述。1.3理论意义：（1通过整理文献使超疏水、自清洁领域已发展、得到的成果有条理地、深刻清晰的呈现给各界学者，使近年来超疏水、自清洁领域的发展得到综合归纳；（2）通过关注超疏水、自清洁领域研究的最新动态使读者掌握现今该领域的研究现状及发展趋势；（3）通过形

4、成综述使更多学者了解超疏水与自清洁的原理以及该领域的发展程度，同时提供超疏水自清洁材料的多种制备原理，并激发更多学者对该领域的研究热情；（4）通过对过去与现在的分析与学习，发现未来超疏水领域更广阔的发展前景，引导各界学者积极展望其将来巨大的发展潜力。1.4现实价值：（1）使超疏水、自清洁领域现阶段已有成果得以总结；（2）呈现超疏水、自清洁领域研究的最新动态供研究者查阅；（3）形成包括超疏水材料的原理、实验、制备原理、应用价值和实践意义等全方面的综述，使已研究者与未研究者皆可通过该综述了解该领域、激发兴趣。1.5研究现状与发展动态研发具有抗菌和自净化功能的自清洁材料对保护环境和实现可持续发展具有

5、重要意义,这类新型功能材料的使用面极广,具有广阔的发展和应用前景。但是,目前自清洁材料的产业化受到了一些技术上的制约:其在可见光下的光催化效率太低,TiO2膜的大面积制备技术也不够成熟,自清洁性能的持久性还有待提高等。今后的自清洁材料将会朝着光催化效率更高,自清洁性能更稳定的方向发展。同时,自清洁材料的应用领域还可以不断的拓宽,如空气净化、污水处理、光催化反应器和太阳能电池组件等。只有通过不断的研究和探索,才能更大的发挥光催化自洁净材料的作用,自清洁材料色彩丰富,饰面灵活多样,自重轻,安全可靠,正在逐渐替代传统材料。同时自清洁材料也是国家极力倡导推广的材料，例如：我国目前正处于城镇化建设高峰期

6、,高品质外墙涂料有广阔的需求空间和发展潜力。住宅产业化和建筑节能的实施也对外墙涂料的推广应用起到巨大的推动作用。传统涂层耐沾污能力不足是外墙涂料普遍存在的共性问题,也是制约我国外墙涂料推广应用的突出技术难题。外墙饰面被污染,大大影响了建筑的美观性和耐久性。人们一直期望开发不易附着污染或者使附着污染物能借助于雨水、风力等外界自然条件被去除的自清洁涂料。今后的自清洁材料将会朝着更高光催化效率和更稳定的自清洁性能方向发展。而且会随着相关技术的不断成熟和社会环保意识的增强，成为人们生活中必不可少的新型绿色产品。2 研究内容2.1研究思路研究计划对于高分子材料首先进行初步了解，查阅有关高分子材料定义、发

7、展现状、实际应用价值、前景展望等。再对于超疏水、自清洁等详细分类进行深入探究，了解其原理、应用、发展延伸等。最后根据研究结果，整理形成论文。2.2可行性分析（1）高分子方面基本知识与生活联系较为紧密，对于理论可以较快有大致了解。（2）拥有专业负责的导师对此次研究进行指导，解决组员在研究过程中遇到的问题，指导研究方向。（3）组员对此次研究内容有兴趣，能够积极开展研究。（4）实验方面，对接基地实验室有一定硬件基础，可以进行试验。2.3实施方案（1）利用暑假时间广泛地查阅文献，学习其基本原理，熟知一些常用专业词汇，了解当前超疏水、自清洁材料的研究现状，并对最新成果的制备方法和疏水、清洁原理进行学习，

8、考虑其在生活中的应用；同时，暑假期间会持续关注该领域的最新动态，利用新闻等渠道获取最新信息。（2）开学后统筹时间，抽空查阅文献资料，继续完善知识储备。利用学校见面的机会，组员之间互相分享阅读成果，相互补充；同时联系某某科技大学材料学院，在基本知识掌握充足后准备进入实验室，对超疏水、自清洁材料进行研究，包括膜制备、表面接触角测量等等；期间加强与导师的联络，及时向导师反映阅读文献时遇到的疑难问题。（3）在充分了解超疏水、自清洁材料研究进展，制备原理，并参与相关实验后，着手开始撰写论文，准备结题工作。3 研究方法（1）文献资料法：查阅相关资料，了解超疏水材料最新发展动向。（2）实验法：联系软控中心与

9、某某科技大学，参与相关实验（如膜表面接触角观测、膜制备等等）。4 相关分析4.1超疏水表面的主要特点具有微米和纳米尺度的粗糙结构和表面蜡状物。微米与纳米相结合的结构可以产生较大的接触角和较小的滚动角。表面化学组成与粗糙结构相结合成为仿生超疏水表面的重要特点。4.2超疏水表面制备目前主要通过两种方法来制备超疏水表面：（1）在疏水材料(接触角大于90)表面构建粗糙结构；（2）在粗糙表面修饰低表面能的物质。具体的制备方法如下：（1）相分离或自组装法（2）化学沉积或电沉积法（3）溶胶-凝胶法（4）电纺丝法（5）碳纳米管法以上方法可得到粗糙表面,通过低表面能物质表面修饰后得到超疏水表面。4.3粗糙表面分

10、类（1）规则的粗糙表面(也称为人为设计的粗糙表面)、（2）无规则粗糙表面（3）介于两者之间的分形结构表面。4.4超疏水表面主要制备方法介绍4.4.1一种多尺度仿生超疏水表面制备：纳米二氧化硅是一种大规模生产的纳米填料,在塑料、橡胶制品中广泛应用于提高机械性能。通过传统的机械处理和分散纳米二氧化硅的方法在金属表面制备具有微-纳米二级结构的类荷叶的超疏水表面。喷砂粗糙化处理的铝片经过植入纳米二氧化硅和表面修饰后能获得与荷叶表面结构、性能相似的超疏水表面:静止接触角高达173,对于6.5L的水滴倾斜2.5即可滚动,本方法简单、易于实现大面积制品的制作。4.4.2以砂纸为模板制作聚合物超疏水表面以不同

11、型号的金相砂纸为模板,通过浇注成型或热压成型技术,在聚合物表面形成不同粗糙度的结构。以不同型号的砂纸为模板可以制备不同粗糙度的聚合物固体表面。砂纸的磨料颗粒形状不规则,分布杂乱,与胶粘剂共同形成了微米2纳米的粗糙结构，这些结构有效地提高了聚合物表面与水的接触角。不同型号砂纸的粗糙度有较明显的差别，砂纸复制表面的接触角随粗糙度的增大(砂纸磨料粒径减小)而提高。4.4.3采用静电纺丝技术构筑粗糙表面采用静电纺丝技术构筑粗糙表面，再使用廉价的低表面能物质硅油在煅烧过程中同步修饰，制备出接触角大于150滚动角小于5的TiO超疏水表面。这种超疏水的TiO材料可被设计运用于防水织物、无损失液体运输、微流体

12、等领域。4.4.4静电喷涂法制超疏水表面采用聚苯乙烯(Ps)的二甲基甲酰胺(DMF)溶液为原料，通过静电喷涂的方法，制备了具有微一纳米复合结构的聚苯乙烯膜通过调节Ps的分子量及溶液的浓度，得到了不同的结构、浸润性及吸附性的表面。4.4.5溶胶-凝胶法溶胶-胶法在玻璃表面形成粗糙度适宜的SiO薄膜，再通过白组装将OTS键合到SiO薄膜表面，制备出了超疏水表面材料。静态接触角为156。，滑动角小于5。5 研究结论5.1应用（1）有机硅树脂类纳米涂料涂在基材表面，制得自清洁表面。这种产品主要应用于汽车的前后风挡玻璃、侧风挡玻璃、后视镜的表面，保证雨天玻璃不挂水视线良好。而且很多汽车脚垫地毯用水冲洗不

13、易晒干，如果处理后冲洗就不怕湿，因为表面形成的纳米保护膜油水不沾，轻轻甩一下便可使用。（2）纳米二氧化钛型超亲水自洁涂料。联系一下中国的现实背景，我们可以得知建筑物外立面最大的污染源是粉尘污染，所以建筑物防污首要的是防止灰尘粘附，而如果选取代表性的石炭灰污染物进行实验（使石炭灰附着基材后用喷水瓶喷水，观察水的接触角与石炭灰的除去性的关系），我们可以得出结论：水滴接触角越小（即超亲水性）越不容易污染，而且容易脱落。5.2发展方向（1）莲花效应实质为既疏水也疏油的超双疏效应，各种纺织材料（棉、麻、丝、毛、绒、混纺、化纤等）等经处理后不仅显示出卓越的疏水疏油性能（包括蔬菜瓜汁、墨水、酱油等各种物质）

14、，而且不改变原有织物的各种性能（纤维强度、染料亲和性、耐洗涤性、透气性、皮肤亲和性、免熨性等），甚至还增加了杀菌、防辐射、防霉等特殊效果。可以显著减少洗涤剂的使用（过量使用洗涤剂在很长一段时间内都是我国水华频发的原因之一）和水资源的浪费。 （2）当某种材料和水的接触角（接触角表示某种液体对于某种材料或者表面的润湿性能，当接触角为0度时，表示液体能完全的湿润固体表面；当接触角为180度时，代表液体完全不能湿润固体表面。）近似达到180，那么这种材料就有不会被水打湿的特性，如果该材料的密度远小于水，那么它就可以一直漂浮在水面上。像马航空难中的黑匣子，沉到海底得到了短暂的稳定，而却增大了搜索难度。如

15、果是浮在水面上的，在一定X围内释放出信号，就可以降低搜索难度。 （3）在文物打捞工作方面，如果在沉在海底的文物涂抹超疏水涂料，就可以减缓海水侵蚀速度，为打捞争取时间。5.3主要问题（1）超疏水自洁涂料分为有机硅树脂类纳米涂料和氟碳型纳米涂料。有机硅树脂类纳米涂料（如自洁涂料、疏水纳米自洁玻璃），缺点是附着性差，不耐摩擦，寿命短，而且不可防油（户外的空气里面是含有油分的，特别是一些大城市以及工业区，因为汽车和工厂排出的尾气是含有油分的）。氟碳型纳米涂料附着性极强，可以广泛用在基材如玻璃陶瓷，木材，石材和混凝土上，缺点是价格较高。对于主要成分是二氧化钛（TiO2）的易洁涂料，优点是价格便宜，缺点是

16、必须有紫外线照射，而且附着性同样不佳。（2）目前自清洁材料的产业化受到了一些技术上的制约:其在可见光下的光催化效率太低,TiO2膜的大面积制备技术也不够成熟,自清洁性能的持久性还有待提高等。5.4建议研发具有抗菌和自净化功能的自清洁材料对保护环境和实现可持续发展具有重要意义，这类新型功能材料的使用面极广，具有广阔的发展和应用前景。但是目前自清洁材料的产业化受到了一些技术上的制约。今后的自清洁材料将会朝着光催化效率更高，自清洁性能更稳定的方向发展。同时，自清洁材料的应用领域还可以不断的拓宽，如空气净化、污水处理、光催化反应器和太阳能电池组件等。只有通过不断的探索，才能更大的发挥光催化自清洁材料的

17、作用，使它能满足人们对较高生活质量的需求。今后的自清洁材料将会朝着更高光催化效率和更稳定的自清洁性能方向发展。而且会随着相关技术的不断成熟和社会环保意识的增强，成为人们生活中必不可少的新型绿色产品。6 参考文献：1.郭兴林, 谢琼丹.仿生高分子的研究进展 J.: 化学进展, 2004, 第16卷第6期:1023-10292. 徐蕊，马英子.仿生超疏水涂层材料研究新进展 J.某某: 化工新型材料， 2009，第37卷第12期:1-43. 江雷.从自然到仿生的超疏水纳米界面材料 J.: 基础科学， 2005, 第23卷第2期:4-84. 李瑶，王雷.仿生材料的研究进展 J 某某: 某某科学， 2012, 第3卷第1期：32-34