超疏水与自清洁材料研究

超疏水-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

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1研究背景 31.1背景 31.2研究目的： 31.3理论意义： 41.4现实价值： 41.5研究现状与发展动态 42研究内容 52.1研究思路 52.2可行性分析 62.3实施方案 63研究方法 64相关分析 74.1超疏水表面的主要特点 74.2超疏水表面制备 74.3粗糙表面分类 84.4超疏水表面主要制备方法介绍 85研究结论 95.1应用 95.2发展方向 105.3主要问题 115.4建议 116参考文献： 127致谢 错误!未定义书签。

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,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，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；同时联系青岛科技大学材料学院，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：联系软控中心与青岛科技大学，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：在疏水材料(接触角大于90°)表面构建粗糙结构；在粗糙表面修饰低表面能的物质。具体的制备方法如下：相分离或自组装法化学沉积或电沉积法溶胶-凝胶法电纺丝法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6.5μL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Ⅳ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），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。如果是浮在水面上的，在一定范围内释放出信号，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