超疏水涂层的设计、开发和评估

创作者：Mahshid Niknahad和Vijay Mannari，东密歇根大学建筑涂料研究室，英国密歇根州伊普西兰蒂

超疏水表层早已导致了生物学家和技术工程师的兴趣爱好，不但包含基础研究，也包含他们的真实运用，如环境污染防止、自清理、耐污表层的设计方案、防结冻镀层、金属材料以及铝合金的耐蚀性、生物医学工程和分子生物学主要用途这些。可根据操纵他们的表层特征和表面来制取具备疏水性表层的镀层。表层的斥水溶性是纯天然和技术性加工工艺中的一个关键状况。超疏水表层可定义为水表面张力（WCA）超过150°而翻转角（SA）低于5°1。在自然中普遍存在着很多超疏水表层，如菏叶、蝴蝶翅膀、家鸭的翎毛等2。遭受自然界的启迪，根据选用这两种方式 可以获得超疏水的表层。在第一种方式中，固态表层用低表面的资料开展有机化学改性材料。在第二种方式中，在板材上造就纳米和μm级的构造，来避免水与表层触碰。在这类方式中，水珠就好像在空气中一样。超疏水性表层上的水珠几乎贴近球型，因此具备细微的液-固触碰总面积，进而致使其非常容易滚下来。依据卡利基本定律，该基本定律叙述了怎样根据简易地把板材变不光滑来提升表层的表观表面张力，亲水性表层上适宜的表层图案设计的产生会造成其润滑性能的转变，而且表面张力也会扩大。

为了更好地掌握超疏水性表层在各种各样板材上的产生早已开展了普遍的科学研究3,4。应用胶体溶液-疑胶技术性的有机化学/有机物混和镀层给予了一种简易并且高性价比的方式，来使不一样的表层官能化。胶体溶液-疑胶磷酸激酶中的脂肪烃或全氟链的存有可以大幅度降低镀层的表面。涂层的物理性能及其与板材间的粘附抗压强度可以根据使栽培基质中的氯硅烷醇化学交联及其促进镀层和该板材中间建立的离子键而获得提高5,6。

在本科学研究中，大家尝试根据胶体溶液-疑胶技术性将低表面和表层特点融合设计制作一种超疏水镀层。用带有全氟化氢链的胶体溶液-疑胶磷酸激酶来得到低表面，为了更好地把外表粗糙度操纵在微米和纳米等级而添加疏水性的纳米硅微粉。其他的胶体溶液-疑胶磷酸激酶如四乙氧基正硅酸盐材料（TEOS）和羟基三叔丁基氯硅烷（TMOS）也被用于给涂膜给予充足的交联密度和冲击韧性。胶体溶液-疑胶镀层是以由氯硅烷磷酸激酶、二氧化硅颗粒、水、纯正酸金属催化剂构成的涂覆槽获得。这种镀层，根据浸涂工程施工方式堆积在铝合金型材试板上，科学研究这种方式的疏水性与表面的关联，及与表面和粗糙度的组成的关联。将氟化氢氯硅烷磷酸激酶及其疏水性二氧化硅颗粒的类别和次数对超疏水性和物理性能的危害开展了科学研究。各种各样待科学研究试品的叙述以及对应的浴槽构成见表1。

在施涂胶体溶液-疑胶建筑涂料以前，将铝试板开展脱油和有机化学腐蚀解决。施涂后，将板竖直置放在板架子上，干燥15分鐘，接着在120℃的大气循环系统烘干箱中热干固30分鐘。镀层的典型性湿膜薄厚为〜5-7μm。

疏水性/超疏水性镀层的设计方案

传统式的胶体溶液-疑胶镀层用MTMOS和TEOS做为氯硅烷前体系备，在不锈钢板材上产生光洁全透明和高密度的有机化学和有机物互联网。这类镀层具备良好的粘合力，这也是因为其能在镀层与基板页面产生Al-O-Si键。在此项探究中的试品-II意味着了这类基本的胶体溶液-疑胶镀层。为了更好地减少表面进而提升疏水性，除开MTMOS和TEOS（试品A）以外，大家还加入了带有氟辛基链的有机化学氯硅烷。大家都知道带有氟原子的甲基链能给予真真正正的疏水性。这类链，当根据软性的二甲基硅氧烷键连接到高聚物互联网处时，一定会在表层定项排序，进而减少涂膜的表面，如下图1所显示。因为疏水性不但在于表层的有机化学构成，也会受涂层的表层特点危害，大家尝试获得具备不一样外表粗糙度的镀层。在试品B和C中，各自添加μm级和纳米二氧化硅颗粒物，根据建立外表粗糙度来提高疏水性。应用纳米级颗粒物（试品B）和μm 纳米颗粒物（试品C）来了解这类颗粒物在表层的定项分布的危害，而且因而得到了疏水性。图2用平面图来表明应用和不应用纳米和μm级粉末的涂层表层特点，及其这种表层上的水表面张力。

水表面张力和镀层的疏水性

表2提供了外露板材和不一样胶体溶液-疑胶镀层表层的水表面张力和翻转角。清理并去金属氧化物的铝合金型材表层（试品Ⅰ）在高表面的表层上面有非常总数的Al-OH官能团。因而试品I表明出29.4°的极低的表面张力，表明能被水珠非常好湿润，与此同时具备90°的高的翻转角，表明这一表层对水具备感染力。用有机化学/有机物混和建筑涂料（试品-II）涂敷外露的铝合金型材表层，获得的水表面张力大幅度提升。这一点可以预估到，这也是因为样版Ⅱ的胶体溶液-疑胶镀层具备甲基链的氯硅烷磷酸激酶而具备较低的表面，进而获得的翻转角也减少。

试品A的水表面张力的提升可以归功于在高聚物栽培基质中存有全氟链，这会造成表面的下降而在表层处发生分离出来。因而，该镀层的富氟表层展现出疏水性的提升。与试品II对比，因为斥水溶性提升，试品A也表明翻转角的明显降低。为了更好地科学研究表面减少，全氟成分对疏水性的危害，根据提升氟成分对试品开展科学研究。結果（表3）表明，氟成分从1%提升到较多5%，水成分仅有略微提升，不可以得到超疏水情况。这可能是由表层上氟化氢开链在一定成分时做到饱和状态，超出该点，氟成分的进一步提升不容易急剧下降表面。因而，就不太可能只是根据表面减少对策来得到超疏水性。

试品B和C表明出十分趣味的結果。除开全氟甲基链，这两个试品还带有亲水性解决的纳米和μm级二氧化硅颗粒。表面张力从105º（试品A）提升到123º（试品B），而其翻转角骤降了约90%，这清晰地表明了表层特点构造的改变造成了水珠从表层滑掉。μm级二氧化硅颗粒的存有好像早已在表层匀称地突显，造成所希望的表面粗糙度而造成水珠滑掉（见图3和4）。图3表明出选用DCAAPP精确测量的水表面张力的五种不一样的图象，图4表明了试品表层上的水珠的图象相片。

这类表层上的水珠在出液滞留的峰中间有很大的水与气体产生的页面。这将造成水表面张力的明显提升，因而提升了两者的疏水性。

如表2、图3和图4所显示，试品C主要表现超疏水性的个人行为。试品C有152°的表面张力和<5°的翻转角，将这类镀层归到超疏水镀层的类型。除开高聚物栽培基质中对低表面有功绩的全甲基链，μm级二氧化硅颗粒也形成了外表粗糙度，试品C带有纳米二氧化硅颗粒。因而，这类试品疏水性的大幅度转变可以归功于因为添加纳米二氧化硅颗粒所造成的塑料薄膜形状和表层特征的转变。大家觉得，纳米二氧化硅颗粒的定项排序很有可能造就了这类当水珠滞留在这类表层处时可以提升水与气体触碰总面积的表层特点。因而，可以获得卡利基本定律来完成超疏水表层直接具备高表面张力和低的落后状况。

依据人们的假定，这将造成图2中最右侧这样的事情的产生。试品C非常低的翻转角也适用了咱们的假定。

表层物理性能

用纳米压痕仪来科学研究镀层的表层物理性能。在压印实验中，将顶尖以预订的负载在15秒内表面层压进一个既定的深层，维持该负荷30秒，观查粘应力松弛，如果有得话，随后在15秒内去除。依据压印曲线图，可以计算出强度和弹性模具。图5表明出了表层强度、试品上的负荷、成键涂层的弹性模量。可以清晰地见到，试品A的弹性模量（70 GPA）明显超过试品B和C。这可以归功于试品A的相对高度化学交联的掺杂网络架构。试品B和C中二氧化硅颗粒的存有，（胶体溶液-疑胶磷酸激酶相对应的降低）将造成涂层栽培基质交联密度的减少，进而造成强度和负载的降低。纳米和μm级颗粒的存有自身还会继续产生一定的程度的涂层孔隙率，进而造成试品B和C的涂层弹性模具的降低。

表层特征和电镜

电镜（SEM）是用于科学研究涂层的表层形状，便于将其与疏水性关系起來。图6得出了试品A、B和C电镜（SEM）照片。从这种照片可以看得出，试品A具备没有裂痕的显著光洁和匀称的表层。μm级和纳米颗粒的添加毁坏了表层的匀称构造，产生了多片层表层构造。除此之外，在图6B中可以看得出，该颗粒匀称分散化在全部高聚物栽培基质中。因而，可以说，匀称的掺杂互联网已取得成功产生。从试品C的SEM图象可以看得出，该表层越来越不光滑，这是由于高聚物栽培基质中添加了纳米颗粒。有很多纳米颗粒不规律地分散在试品C涂层中的μm级颗粒中间，这类支系构造会将气体收集之中。微块中间的细微裂痕还可以发觉，这可以归功于涂层差的一致性，因而造成试品B和C的物理性能较弱。尽管涂层B具备相对性不错的小型构造，因为太不接连而不可以给予超疏水性。

结果

本科学研究的总体目标是根据引进亲水性官能团和操纵表层特点设计制作根据胶体溶液-疑胶化学结构的亲水性或超疏水镀层。对带有全氟构造及其既带有全氟化氢构造又应用纳米级和纳米二氧化硅颗粒来造就外表粗糙度的胶体溶液-疑胶镀层的特性进行了科学研究和较为。此项研究表明，引进全氟构造会明显改进镀层的疏水性及其两者的物理性能。殊不知独立应用全氟构造不可以给予超疏水性。除开全氟构造外，超疏水性的改变还需要根据应用纳米和μm级二氧化硅颗粒来操纵表层特点。此项科学研究对设计方案具备可调节的表层特性的由胶体溶液-疑胶获得的亲水性/超疏水镀层给予了十分有利的看法。

某系其他信息，请根据电子邮箱vijay.mannari@emich.edu联络。

论文参考文献

Yin, B.; Fang, L.; Hu, J.; Tang, A.Q.; He, J.; Mao, J.H. A Facile Method for Fabrication of Superhydrophobic Coating on Aluminum Alloy,” Surf. Interface Anal., vol. 44, no. 4, pp. 439–444, Apr. 2012.

Bormashenko, E.; Bormashenko, Y.; Stein, T.; Whyman, G.; Bormashenko, E. Why do Pigeon Feathers RepelWater? Hydrophobicity of Pennae, Cassie–Baxter Wetting Hypothesis and Cassie–Wenzel Capillarity-Induced Wetting Transition,” J. Colloid Interface Sci., vol. 311, no. 1, pp. 212–216, Jul. 2007.

Brassard, J.D.; Sarkar, D.K.; Perron, J. Fluorine Based Superhydrophobic Coatings, Appl. Sci., vol. 2, no. 2, pp. 453–464, May 2012.

Yoshimitsu, Z.; Nakajima, A.; Watanabe, T.; and Hashimoto, K. Effects of Surface Structure on the Hydrophobicity and Sliding Behavior of Water Droplets, Langmuir, vol. 18, no. 15, pp. 5818–5822, Jul. 2002.

Lakshmi, R.V.; Bharathidasan, T.; Basu, B.J. Superhydrophobic Sol–Gel Nanocomposite Coatings with Enhanced Hardness,” Appl. Surf. Sci., vol. 257, no. 24, pp. 10421–10426, Oct . 2011.

Latthe, S.S; Imai, H.; Ganesan, V.; Rao, A.V. Superhydrophobic Silica Films by Sol–Gel Co-Precursor Method,” Appl. Surf. Sci., vol. 256, no. 1, pp. 217–222, Oct. 2009.

该文章内容提高散播新技术应用新闻资讯，很有可能有转截/引入之状况，若有侵权行为请联络删掉。