超疏水材料的应用前景

超疏水资料的应用远景最近几年来，超疏水资料以其优胜的性能，超强的疏水能力，在家电行业的应用远景愈来愈宽泛，惹起了该领域专家的极大关注。本文总结概括了超疏水资料的疏水机理和研究现状。最后，对超疏水资料在家电行业的发展远景进行了展望。落在荷叶上的雨滴不可以平稳地逗留在荷叶表面，而是缩聚成大大小小的水珠并滚落下来，水珠在转动的过程中会带走叶片表面的尘埃。所以荷叶在雨后会变得一尘不染，这类现象在生活中很常有，我们称之为“荷叶效应”。所以，科研工作者从中获取灵感和启示，对超疏水表面睁开大批的研究。最近几年来，有关超疏水表面的制备及其性能方面的研究，成为了资料科学领域的关注热门，发展极其快速。超疏水资料以其优胜的性能，超强的疏水能力，在家电行业中有着愈来愈宽泛的应用远景。疏水机理1．1超疏水表面的特色自然界中的好多植物叶片，如荷叶、粽叶、水稻叶、花生叶等，都拥有超疏水能力。经过扫描电镜察看，这些叶片的表面其实不圆滑，而是散布着好多微纳米突出。直径约为125nm的纳米枝状结构散布于直径约为7μm的微米级的乳突结构上，形成分级结构。同时，叶面还覆盖有一薄层蜡状物，其表面能很低。当雨水落在叶片表面时，突出空隙中的空气会被锁定，雨水与叶面之间形成一层薄空气层，这样雨水只与突出尖端形成点接触，表面黏附力很弱。所以水在表面张力作用下可缩聚成球状，并能在叶片表面任意转动。而尘埃与叶片也为点接触，表面黏附力很小，很简单被水珠带走。在分级结构和蜡状物的结合作用下，叶片得以实现超疏水性和自洁净功能。除了植物以外，自然界中的很多动物体表面也拥有很强的疏水和自洁净功能，如鸭子羽毛、蝴蝶翅膀、水上蜘蛛、水黾、蝉等。房岩等人发现蝴蝶翅膀表面较强的疏水性是翅膀表面微米级鳞片和亚微米级纵肋综合作用的结果。经过高倍扫描电镜察看，蝴蝶翅膀表面由多个鳞片覆瓦状摆列构成，鳞片表面由亚微米级纵肋及连结构成，形成阶层复合结构，鳞片的纵肋横截面均为规则的三角形。当水滴滴落到翅膀表面时，大批的空气被围困于亚微米级的空隙中，在翅膀表面形成了一层空气薄膜，使水滴与翅膀不可以充分接触，从而使蝴蝶翅膀拥有超疏水功能。1．2超疏水理论静态接触角是权衡固体表面疏水性的重要指标之一，它是指在固、液、气三订交界处，由气／液界面穿过液体内部至固／液界面所经过的角度，是湿润程度的量度，用α表示，如图2。90°的α值是判断固体表面亲水与疏水的临界值：1）α＜90°，固体表面是亲水性的；2）α＞90°，固体表面是疏水性的；3）特别地，当θ＞150°时，水滴很难湿润固体，并且简单在其表面任意转动，这样的表面被称为超疏水表面，拥有自洁净性能的超疏水表面是最近几年来的科研热门。接触角是表征固体表面疏水性能的静态指标，除此以外，权衡固体表面的疏水性能的动向指标是转动角，其数值越小，表示疏水性越好，相应的自洁净功能越优秀。如图3所示，将液滴搁置在水平的固体表面，将表面沿着必定方向迟缓倾斜，当液滴在倾斜的固体表面上恰好要发生转动时，倾斜表面与水平面的夹角就是转动角的大小，以β表示。对于理想的固体表面（圆滑、平坦、均匀），固体、气体、液体界面件表面张力会达到均衡，系统总能量趋于最小，Young’s方程给出了接触角与表面能之间的关系：γ，sg＝γs，l＋γg，lcosθ（1）公式中γ，sg，γs，l，γg，l分别代表固气、固液、气液间的界面张力。由上式能够看出，接触角越大，固体的表面能越小。要想加强资料表面的疏水性，可以采纳降低表面能的方式，增大其与液体的静态接触角。但是，仅凭降低资料表面能这一举措，没法获取优秀的超疏水成效，甚至是使用拥有最低表面能的含氟物质修饰圆滑固体表面，其接触角也不会超出120°。实质上，固体表面都是非理想表面，其粗拙结构是影响疏水性的重点要素，所以一定对其加以考虑。对于粗拙表面的浸润性（亲水／疏水性），当前有两种理论：Wenzel和Cassie理论。假定粗拙表面是凹凸相间的结构，依据Wenzel的理论，液领会填满粗拙表面的凹槽，是一种完整接触湿润，如图4所示，实质的固液接触面积大于表观接触面积，增添表面粗拙度能够提升其疏水性能。依据Cassie的看法，因为凹槽内截留有大批空气，水滴没法渗透此中，致使空气滞留在表面凹陷处，形成气－液－固复合接触，如图5所示，该模型可用下式解说说明：cosθ＊＝（1－f）（cosθ＋1）－1（2）式中的θ＊和θ分别是水滴与粗拙表面和圆滑表面的接触角，f是滞留于粗拙表面的气体相分率。依据上式，跟着f值增大，即越多的气体滞留于粗拙表面凹槽之间，水滴与表面的接触面积随之减小，就越难渗透到表面内部，致使大的接触角。因此，获取超疏水表面的最好方式就是改变固体表面的微观容貌。一个显示出优秀性能的超疏水表面，其与水滴的接触角大于150°，转动角小于5°，这类疏水性能是其表面的显微结构及化学构成两重作用的产物。制备超疏水表面一般从两个方面下手。一方面，直接在低表面能资料如氟碳化合物、硅树脂以及其余一些有机化合物的表面构建粗拙结构。另一方面，经过对拥有高表面能的固体表面进行粗拙化，而后用低表面能物质（如氟硅烷）进行化学修饰。基底资料主要包含无机资料、金属及其氧化物等。不论采纳何种方式，制备拥有理想粗拙度的表面是极其重点的一步。当前，超疏水表面的粗拙化办理技术主要有刻蚀法、模板法、溶胶－凝胶法、静电纺丝法、水热法、化学堆积法、腐化法、相分别与自组装法等。超疏水表面在家电行业的应用远景鉴于大自然给予的灵感，科研工作者将这类奇特的“荷叶效应”引入到资料领域。从当前的文件报导来看，国内外对于制备超疏水表面的有关理论研究和制备技术发展已渐渐趋于成熟，已经利用多种方法制备出了多种性能优秀的超疏水性表面，主要涵盖拥有超疏水性能的薄膜、涂层以及织物等等。它们在工农业生产和人们的平时生活中都有着及其广阔的应用远景。比如，将其应用于石油管道中，能够防备石油对管壁的粘附，从而减少运输过程中的消耗并防备石油管道拥塞；作为汽车、飞机、航空器等的挡风玻璃，不单能够减少空气中尘埃等污染物的污染，还可以够使其在高湿度环境或雨天保持干燥；用于水中运输工具，能够减少水的阻力，提升行驶速度；用于微流体装置中，能够实现对流体的低阻力、无漏损传递；用于微量注射器针尖上，能够完全除去昂贵的药品在针尖上的黏附及由此带来的针尖污染。鉴于超疏水资料的优秀性能及宽泛用途，假想将其应用到家电设施上，有望解决困扰家电行业多年的技术难题。2．1超疏水资料在空调领域的应用此刻社会，空调已成为高度普及的家用电器。空调夏季制冷时，换热器上会产生大批冷凝水，需要特意的排水管将其排到室外，这不单降低了空调的能效比，并且容易出现漏水现象，更加严重的是冷凝水会带走大批能量，造成室内的空气湿度不停减小，致使人们生活、工作的环境恶化。相同，冬季制热时，室外机换热器会结霜，霜层的存在会增添换热热阻，降低传热系数，对调热系统造成必定的危害。为了除霜不得不常常停掉空调，这不单浪费电能还简单出现制热无效等各样故障。所以，防凝露和除霜控制是空调制冷行业如日中天的研究课题。遇到超疏水表面特别结构的启示，很多学者睁开了超疏水抑霜的研究。Liu等利用磁控溅射技术制备了一种拥有近似荷叶表面的微纳米二元结构的超疏水表面，水滴在超疏水表面上的接触角高达162°。对这类疏水表面上的结霜过程进行了实验研究，结果表示加强表面疏水特征能够在必定程度上延缓初始霜晶的出现并影响霜层的结构，但这一影响仅限制于结霜早期，一旦冷表面被霜层覆盖，表面的疏水特征不再起任何作用。徐文骥等采纳中性电解液，经过电化学加工技术及氟化办理方法制备出铝基体超疏水表面，接触角达到160°，转动角小于5°，并在其长进行了却冰和结霜研究。结果表示：该超疏水表面经过50多次结霜、除霜后，仍拥有很好的超疏水性能，表现出优秀的重复性和持久性；与一般铝表面对比，铝基体超疏水表面拥有显然的延缓结冰霜作用，霜晶先出此刻周围边沿处并渐渐延伸到中间，霜层疏松，结构柔弱，在外力作用下可轻松去除，但抑霜能力跟着冷表面温度的降低而减小。因为部分超疏水表面在冷凝阶段丧失疏水性从而丧失抑霜性能，大大地限制了超疏水表面在克制结霜方面的潜力。纳米结构超疏水表面较好地解决了上述问题。丁云飞制备了7种分别拥有纯真微米颗粒结构、微米颗粒／纳米纤维混淆结构和纯真纳米纤维结构的疏水表面。结霜实验发现，综合对照霜晶出现时间和覆盖率，全纳米结构的表面抑霜成效最好，这可能是因为纳米微结构足够小，冷凝液滴不可以够侵入到微结构空隙里。但是纳米粗拙结构的特色不单这样，其上冷凝液滴的自觉弹跳现象和由此引起的快速除霜方法为超疏水表面的实质应用带来更大可能性。2．2超疏水资料在冰箱、冷柜领域的应用冰箱（冷柜）也是必备的家用电器，可是其内胆表面凝集冷凝水、结霜、结冰的现象向来是困扰该行业的一个难题，这类现象不单使导热率降低，耗资电能，也不利于制冷并影响食品保留，为此我们要常常的准时关机开门以除冰除霜。凝露现象往常是有害的，有可能致使微生物和细菌滋长，而此刻的高端冰箱内饰件为了追求一种美观和适用性，往常结构比较复杂，不方便拆卸，使洁净工作的难度增添。为防止内胆表面出现结霜、结冰现象，若采纳特别工艺，在内胆和内饰件上涂覆纳米超疏水资料涂层，小水滴在内胆和内饰件表面上自动滑落，不会在上边堆积，也不会出现冰层现象。除此以外，冰箱内表面拥有很强的自洁净功能，脏东西就不简单粘在上边，使其更简单洁净。制冷系统输送流体时，为了战胜管道阻力需要耗费大批的能量，假如采用纳米技术将系统制冷回路的内表面制成拥有超疏水能力的表面，则可大大减少流体压降，大大提升换热率，从而达到节能的目的，拥有巨大的潜伏经济价值。2．3超疏水资料在厨房设施上的应用跟着生活水平的提升，现代厨房小家电的种类应有尽有，给人们的传统生活带来了巨大变化，可是在享受先进科技带来的便利的同时，厨具的冲洗成了家庭主妇们头疼的难题，比如电饭煲的内表层上粘着的米粒不易冲洗、抽油烟机的表面面油垢难于擦抹．可是假如将其表面采纳超疏水／油资料办理，将会有效地解决上述难题。2．4超疏水资料在电视卫星天线上的应用我国北方是高降雪地域，有时积雪可达一尺多厚，若覆盖在屋顶的卫星接收天线上的积雪得不到实时的清理，会致使没法正常收看电视节目，给人们生活带来诸多不便。但假如天线表面采纳超疏水资料，雪花落在天线表面就消融滑落而不会产生积雪问题，同时防止清理的麻烦。2．5超疏水资料在其余家用电器上的应用纳米超疏水资料拥有优秀的力学、光学、电学和磁学性质