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什么是超疏水?超疏水材料、性能特点以工艺应用

什么是超疏水?超疏水材料、性能特点以工艺应用

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简介
超疏水材料是一种新型材料,防覆冰技术中的硅基超疏水涂层剂在各个领域都有着广泛的适用范围,并且具有良好的环境适应性。实验证明 硅基超疏水涂层剂能够主动抑制和缓解输电线路覆冰的形成和增长,尤其超疏水涂层可延迟水滴在涂层表面的冻结,超疏水涂层的覆冰状态与普通表面具有较大差别,覆冰粘结强度明显低于普通表面.超疏水涂层实现防覆冰功能的影响因素包括表面化学成分,表面结构与环境因素,而通过简单工艺构建有效超疏水表面是超疏水涂层推广应用的关键.基于对超疏水表面防覆冰机理的分析,可知超疏水涂层具有巨大的防覆冰功能潜能,通过控制组织结构使其适应各种温度等环境因素。硅基超疏水涂层剂应用领域广泛:主要应用于雷达、5G基站、电网、绝缘子、桥梁、电缆等各个领域,为设施和设备的表面提供全方位的防冰凌和防覆冰保护。

解决的问题:防冰凌和覆冰:有效抑制和缓解冰雪对设施和设备的覆盖,提高工作效率和安全性。

自清洁性:具备超疏水性能的涂层表面可迅速将水滴滚动带走表面的污垢和尘埃,保持表面清洁,降低了清理和维护成本。

防雨衰:在恶劣天气条件下保持设施和设备表面的干燥,延长使用寿命。

延迟冰冻:通过延迟水滴在表面的冻结,有效防止覆冰的形成。

桥梁、电缆

技术特点:

超疏水性:具有极低的表面能和高度疏水性,水滴在表面上呈现出高度球状,易于自洁和防冰。

环境适应性:能够适应不同的气候和环境条件,保持稳定的防冰效果。

表面工艺简单:施工工艺简单方便,可通过涂覆、喷涂等方式实现涂层施工。

通过对超疏水表面防覆冰机理的深入分析和研究,不断优化涂层的化学成分和结构,确保其在各种环境条件下均能发挥最佳的防冰凌和防覆冰效果。

应用效果及特点:

电网和输电线路:硅基超疏水涂层剂可以应用于电网和输电线路上,有效抑制和缓解冰凌和覆冰的形成,保护设备表面不受冰雪侵袭,确保设备正常运行,提高电力系统的安全性和可靠性。

道路和桥梁:在道路和桥梁上使用硅基超疏水涂层剂能够有效预防路面结冰,减少交通事故的发生,保障交通运输的安全畅通,并延长道路和桥梁的使用寿命。

雷达和5G基站:对于雷达和5G基站等设备的天线罩,硅基超疏水涂层剂可以防止雨水积聚,防止冰雪对其天线和设备的影响,提高设备的稳定性和可靠性,延长使用寿命。

绝缘子和电缆:在绝缘子和电缆表面涂覆硅基超疏水涂层剂可以防止冰雪对其绝缘性能的影响,保障电力系统的稳定运行。

风力发电设备:对于风力发电设备,超疏水涂层可以防止冰雪堆积在叶片和设备表面,减少冰凌对设备的影响,提高发电效率并延长设备的使用寿命。

总的来说,硅基超疏水涂层剂作为一种先进的防冰技术,具有广泛的应用前景和重要的社会经济价值,在保障各类设施和设备正常运行、提高生产效率和安全性方面发挥着重要作用。

聚四氟乙烯涂层不锈钢网表面及油水分离的SEM图像
制备方法
随着超疏水/超亲油材料成功应用于油水分离领域,人们发现这类材料固有的亲油性质会导致膜孔道堵塞,而且这类材料还存在重复使用性差,寿命短,力学性能较差等问题。所以研究者们致力于使用不同的方法如水热法、溶胶凝胶法、刻蚀法、静电纺丝法、涂覆法、自组装技术、沉积法等其他方法研究出稳定性更好、具备多功能化(破乳等)的超疏水/超亲油膜材料。
水热法
水热法又称高压溶液法,是指利用高温、高压水溶液使得通常难于溶解或者不溶的物质溶解和重结晶,从而构建多级粗糙表面的方法。水热法制备的功能纳米材料具有容易得到取向性好且完整的晶体、实现均匀的掺杂、明显的降低反应温度,而且比较容易控制等优势。
 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是指通过前驱体在液相条件下,进行水解、缩合反应,形成透明溶胶,在逐渐凝胶化及经过后续处理得到相应物相的方法。溶胶-凝胶法制备超疏水材料过程中具有反应过程易于控制,易于操作;制备的样品均匀性高;另外也可以通过改变工艺参数或者过程来获得不一样的材料。
刻蚀法
刻蚀法是指通过物理或者化学的方式在基材表面形成微纳米结构的方法,包括激光刻蚀、化学刻蚀、等离子刻蚀,光刻蚀等方式。刻蚀法可以在表面进行精准地操作和设计,但是成本较高,经济性较差。
静电纺丝法
静电纺丝法是指在外加电场下聚合物溶液或者熔体通过喷射最终固化形成纤维的方法。它一般适用于高分子材料。静电纺丝法制备的纤维既具有较大的比表面积,同时纤维上还具有小孔特殊结构,即孔隙率高。通过静电纺丝技术制备的超疏水膜材料具有过滤效率高、压降低等特点。
PSF/FEP混合基质膜的FESEM图像
涂覆法
涂覆法是一种简单快速获得不同形貌表面的方式,包括喷涂法、浸涂法,涂刷法和电泳涂装法。喷涂法是利用喷枪将含有活性颗粒喷成雾状,在基材表面沉积形成粗糙结构;浸涂法是将基材浸泡在活性溶液中,沉积附着形成涂装表面;涂刷法是将涂料直接涂覆在表面;电泳涂装法适合于水性涂料。
飞秒激光诱导聚四氟乙烯超疏水表面的耐久性
自组装技术
自组装技术是模仿自然环境分子自组装形成特地结构的颗粒,以分子水平构建功能材料表面的方法。具有粒径可控,分散性好,操作简便等优点,但是对条件控制要求严格。
沉积法
沉积法是一种低成本,简便有效地制备多级微纳米粗糙结构的方法,包括化学沉积法和电化学沉积法。化学沉积法是指基材在活性组分氛围中其表面发生化学反应,从而形成多级微纳米结构或改性表面;电化学沉积法是指采用阴极还原和阳极氧化的方式,在表面沉积形成微纳米结构。
通过以上各种方法如水热法、溶胶凝胶法、刻蚀法、静电纺丝法、涂覆法、自组装技术、沉积法等其他方法在不同材料上(如具有可降解的蚕丝蛋白、聚多巴胺、单宁酸、化纤物质、矿物颗粒等)制备的超疏水/超亲油性的材料,可实现油包水乳浊液或者重油/水的分离,而且现今所制备的超疏水/超亲油性的材料在环境稳定性和化学稳定性上得到了很大的改善。但是无法很有效地分离轻油/水以及水包油乳浊液,同时也存在着一些问题比如目前许多方法在操作上比较复杂,成本相对较高,无法实现大规模的生产。
超疏水材料的应用
在各个领域,超疏水材料的应用不仅相当广泛而且有极大的进展。因其优异的超疏水性而具备防腐蚀、自清洁、防覆冰的性能,广泛运用于各个邻域,其中包括对金属材料、纺织材料、木材材料、生物组织、口腔医学等,由此可见超疏水材料有着巨大的发展前景和商业潜力。
超疏水材料的展望
随着超疏水材料应用在不断增加,其弊端也逐渐被发现。通过多方考证发现超疏水性的原理是通过微/纳米结构附着在其表面,使得物体本体与外界的接触面减小,所以这种微/纳米结构受到的局部压强也会更大,从而更易磨损。这是超疏水材料消耗快速,造成其不稳定性的主要原因。在以往超疏水材料中,机械稳定性和超疏水性成了此高彼低的局势,所以如何增强超疏水材料的稳定性成了未来超疏水材料的研究重点。
目前绝大多数超疏水材料的制备工艺面临如制备条件形势严峻、生产技术复杂、工艺时间长、疏水效果不明显等着诸多困难,这是导致其难以大量规模生产应用的原因,同时还应该注意到一些工业产业对于功能性超疏水材料的需求,在这样的形势下我们应该更加侧重低成本,工艺易于实现的环境友好型超疏水材料的制备。相信在不久的将来,以绿色,环保原料为主导的超疏水材料将占据为市场的主导地位,其效能也将能够完全满足广大人民和社会的需求。
参考文献:
[1]李国滨,刘海峰,李金辉,曾晖,李瑞,黎根盛,靳计灿.超疏水材料的研究进展[J].高分子材料科学与工程,2020,36(12):142-150.
[2]郭升亮,田永庆,韩媛媛,李亮.超疏水材料的研究进展[J].化工管理,2021(04):80-81.

 


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