低表面能超疏水涂层理论模型及原理

亲水性建筑涂料的理论模型

液态在液体表层的湿润特点常见陈氏方程式叙述。出液与固态表层的表面张力大，润滑性差，其疏液态性强；相反则亲液态性强。固态表层的疏水性与其说表面息息相关。固态表面低，静态数据水表面张力大，当水表面张力超过90°时呈显著的疏水性。现阶段已发现的亲水性原材料中有机硅材料和有机氟原材料的表面低，而且含氟量官能团的表面依—CH2—＞—CH3＞—CF2—＞—CF2H＞—CF3的顺序降低。—CF3的表面低至6.7mJ/m2，在光洁平面图上的水表面张力较大，根据Dupre公式计算可测算为115.2°，长链碳氢化合物官能团的自组装井然有序单面膜的水表面张力可达112°。而通常低表面混乱排序的有机硅材料、有机氟高聚物的水表面张力各自为101°和110°。

固态表层的润滑性是由固态表层的有机化学构成和表层三维多孔结构决策的。通常有2种方式可提升固态表层的水表面张力和疏水性：①根据有机化学方式改性材料固态的表层有机化学构成，减少其表层活化能；②更改固态表层的三维多孔结构，提升固态表层的不光滑水平。在光洁平面图上根据有机化学方式减少固态表层的活化能来提升其疏水性是非常比较有限的，水表面张力不超过120°。大自然许多绿色植物叶片表层存有超疏水性,最经典的便是菏叶。法国波恩大学WBarthlott和CNeinhuis系统科学研究了菏叶表层的自清理效用,发觉菏叶表面生长发育着纳米的蜡晶,使菏叶表层具备超疏水性，与此同时菏叶表层的μm乳突等产生外部经济不光滑表层（见图1），超疏水性和外部经济限度上的不光滑构造给予了菏叶“出污泥而不染”的作用，也就是荷叶效应（Lotus-effect）。

中国科学院江雷等研究发现菏叶表层的乳突（均值直徑5~9μm)上还存有纳米技术构造（124.3±3.2）nm，这类μm构造与纳米技术构造紧密结合的阶级构造是造成超疏水和自清理效用的直接原因。适合的外表粗糙度针对搭建疏水性自净化表层十分关键。Wenzel发展趋势了杨氏模型和表面张力方程式，明确提出了固态不光滑表层的表面张力方程式，引进了表面粗糙度因素r（不光滑面具体总面积与几何图形展开面积的比例，r≥1）。

图1 菏叶表层的外部经济构造及超疏水实际效果

提升固态外表粗糙度，针对亲水性表层（θ＞90°，cosθ为负数；而亲水性表层θ＜90°，cosθ为恰逢，提升表面粗糙度可产生超亲水性表层）则可进一步提高其疏水性，水表面张力可达到150°以上。依据Wenzels基础理论,侵润性由固态表层的有机化学构成和外部经济几何图形构造一同构成,一定的表层外部经济表面粗糙度不但可以扩大表层静态数据表面张力,进一步提高表层疏水性,并且更主要的是可以授予疏水性表层较小的翻转角,进而更改水珠在疏水性表层的信息全过程。Cassie在这个基础上充分考虑具体之中固-液页面间的气体汽泡，明确提出了运用更加普遍的Cassies实体模型和方程式，在其中f为液态触碰液体表层的成绩。超疏水涂层的得到来源于大自然，可根据仿生技术的方式人力搭建不光滑表层并开展亲水性装饰8。固态表层湿润实体模型见图2。

图2 固态表层湿润实体模型

表面张力方程式如下所示：

式中：γSV、γSL、γLV各自为固-气、固-液、气-液间的表面张力；Φ为相关系数r；θS为光洁表层的表面张力；θr为不光滑表层的表面张力；r为表面粗糙度因素；f为液态触碰液体表层的总面积成绩。

荷叶效应的涂层，务必另外具有三层面的特点:

⑴具备低表面的疏水性表层；

⑵适合的外表粗糙度；

⑶低翻转角。

根据2种方式可完成荷叶效应：一种是添加强力疏液剂，如氟硅类表活剂，使涂层表层具备极低表面，尘土不容易粘附；此外一种是仿真模拟莲叶表层的凸凹外部经济产品结构设计涂层表层，减少污染物质与涂层的触碰总面积，使污染物质不可以粘附在涂层表层，而只有松散地沉积在表层的凸凹处，进而非常容易被降水冲洗整洁。

低表面亲水性建筑涂料的归类

低表面亲水性镀层具备防潮、防雾镜、抗雪、污染治理、抗黏连、抗氧化性、耐腐蚀、自清理及其避免电流量传输等关键特性，在科研和生产制造、日常生活等许多行业中具备非常普遍的应用前景。低表面亲水性镀层通常分成两大类。一类是光洁表层的低表面镀层，该镀层表层的静止水表面张力θ＞90°；也有一类则是超疏水镀层，它是一种具备独特表层特性的新式镀层，该固态涂层的水表面张力超过150°且水表面张力落后低于5°。前一种镀层科学研究发展较为早，早已广泛运用于抗脏污行业。而第二种镀层是近些年才发展壮大下去的较新的研究领域，例如山峦新型材料的TIS-NM纳米涂层是电子设备PCB板防潮亲水性的杰出意味着。

法国STO企业属下的ISPO企业，依据荷叶效应原理和有机硅树脂内墙涂料的真实运用結果，通过3年科学研究工作中，于20新世纪90时代末取得成功地把荷叶效应移殖到外墙乳胶漆中，开发设计了多孔结构有机硅材料墙面漆，即荷叶效应墙面漆。

谢琼丹等运用2种高聚物在同一种有机溶剂中溶解性不一样的基本原理，获得了表层具备相近菏叶的μm-纳米技术兴华构造的镀层。最先选用基本的氧自由基汇聚和缩合反应汇聚生成了PMMA和EPU这2种高聚物，随后将他们通过分离出来纯化后溶解同一种有机溶剂制取了超疏水镀层，水表面张力可达166°，翻转角仅为（3.4±2.0）°。此外，运用以上一样的基本原理，用分子迁移氧自由基聚合反应的办法生成了嵌段聚合物PS-b-PDMS和PP-b-PMMA，并且以嵌段聚合物为涂膜物，获得了水表面张力各自为167°和160°的镀层。Sun等近期报导了一种纳米技术铸造的方式 配制的超疏水的表层。她们最先运用菏叶做为原始模版下载一个负极模版，随后运用负极模版下载阳极氧化模版。阳极氧化的模版与莲叶表层有一样的表层构造和超疏水性。

尽管据悉“荷叶效应”是一种简易的制取超疏水镀层的方式，可是该类超疏水商品并无非常大的实际意义。而销售市场上流动的说白了有“荷叶效应”的建筑涂料并不具备超疏水特性，仅有一定的亲水性特点，且表面张力都是在120°下列，而且因为加上了一些蜡、含氟量添加物等，使用期限大大缩短。

不难看出，仿生学在建筑涂料疏水性层面的使用现阶段并不成熟，特别是在在超疏水行业仅处在理论基础研究环节，将来仍将再次为科学研究网络热点。有机硅材料/氟原材料是最重要最常见的低表面亲水性原材料，聚二甲基硅氧烷的表面为21~22mN/m，全氟烷则更小，为10mN/m，比一般的有机物都小，远水比的表面（72.8mN/m）小，具备明显的疏水性。

选用有机硅树脂制取的漆层水表面张力一般在100°上下，亲水性工作能力一般，耐潮时间短速度快，在水中短期内泡浸会使表面慢慢扩大，疏水性降低显著。因而有机硅树脂在亲水性镀层制取领域的使用得到了限定。

有机化学氟化合物中的氟原子决策了其具备独特的特性。氟是化学元素表中电负性较大的原素，其的半径小、C—F键长度、键能大及其含氟量高聚物碳链联接的氟原子顺着锯齿形C—C键作螺旋形遍布的特点，促使高聚物碳链遭受严实的屏蔽掉而免遭外部环境要素（光、水、氧及其有机化学物件）的同时功效，进而提升了有机氟高聚物的耐老化、抗氧化及耐蚀性。有机化学氟化合物分子结构间的团队的凝聚力低，气体和高聚物页面间的分子结构相互作用力小，表层活化能低，表层摩擦阻力小，授予了有机氟高聚物出色的防水性、耐磨性能及耐磨性能。恰好是因为含氟量高聚物具备以上出色的独特特性，含氟量单个以及高聚物在电子器件防潮防水行业的科学研究也就变成了流行。

该文章内容致力于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。