[科普中國(guó)]-疏水性涂料

簡(jiǎn)介

表面疏水技術(shù)是一門廣博精深和具有較高實(shí)用價(jià)值的基礎(chǔ)技術(shù)，在人們?nèi)粘Ｉ钪杏兄鴱V泛的應(yīng)用。通過設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)、化學(xué)和物理特征的涂料，能夠提供固體材料新的附加功能，特別是現(xiàn)代工業(yè)對(duì)疏水涂料的快速增長(zhǎng)的需求，給功能化的疏水涂料于勃勃生機(jī)。超疏水涂層正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型表面技術(shù)。

疏水涂料常指涂膜在光滑表面上的靜態(tài)水接觸角θ大于90°的一類低表面能涂料，而超疏水涂料是一種具有特殊表面性質(zhì)的新型涂料，是指固體涂膜的水接觸角大于150°并且常指水接觸角滯后小于5°，具有防水、防霧、防雪、防污染、抗粘連、抗氧化、防腐蝕和自清潔以及防止電流傳導(dǎo)等重要特點(diǎn)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)、生活等諸多領(lǐng)域中有極為廣泛的應(yīng)用前景。1

理論模型液體在固體表面的潤(rùn)濕特性常由楊氏方程描述。液滴與固體表面間的接觸角大，潤(rùn)濕性差，其疏液體性強(qiáng)；反之則親液體性強(qiáng)。固體表面的疏水性與固體表面的表面能密切相關(guān)。固體表面能低，靜態(tài)水接觸角大，水接觸角大于90°時(shí)呈明顯的疏水性。目前已知的疏水材料有機(jī)硅、有機(jī)氟材料的表面能低，并且含氟基團(tuán)的表面能依－CH2－>－CH3>－CF2－>CF2H>－CF3的次序下降。－CF3基團(tuán)的表面能小至6.7 m J/m2，在光滑平面上的水接觸角最大，通過Dupre公式可計(jì)算為115.2°，長(zhǎng)鏈碳?xì)浠鶊F(tuán)的自組裝有序單層膜的水接觸角可達(dá)112°。而通常低表面能無序排列的有機(jī)硅、有機(jī)氟聚合物的水接觸角分別為101°、110°。

常用材料氟/硅材料

氟元素的電負(fù)性最強(qiáng)，原子半徑很小，原子極化率很低，有機(jī)氟化合物中C－F鍵鍵能大，氟原子沿著碳鍵作螺線形分布，具有屏蔽效應(yīng)，分子間作用力小，表面能很低。氟碳涂料中PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA等是常用的耐候絕緣疏水涂料。也有人用PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蠟或其它合成含氟聚合物等來制作超疏水涂膜。但氟樹脂與基體表面存在弱界面層，與金屬等基體結(jié)合強(qiáng)度差，需結(jié)合其它技術(shù)提高其對(duì)底材的粘附力，應(yīng)用范圍有明顯限制。

其它疏水材料

其它合成高分子熔體聚合物如聚烯烴、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蠟等結(jié)合一定的工藝技術(shù)也可獲得超疏水性。Han等使用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合合成的三元嵌段共聚物Pt BA-b-PDMS-b-Pt BA制作了超疏水涂膜。

有機(jī)-無機(jī)雜化材料

有機(jī)-無機(jī)雜化材料常具有納米結(jié)構(gòu)，不僅可提供含特定微觀結(jié)構(gòu)的粗糙度，還能獲得顯著的靜態(tài)疏水性。由烷氧基硅烷制得的溶膠-凝膠雜化材料由于其獨(dú)特的光學(xué)性能被直接應(yīng)用于傳統(tǒng)光學(xué)材料、有色玻璃、光防護(hù)、光成像、激光、信息記錄及其它器件。

應(yīng)用自分層涂料

當(dāng)涂料中某些成分的表面能與其他材料的表面能相差較大時(shí)，涂料在固化過程中將有相分離的趨勢(shì)，即自分層效應(yīng)。自分層涂料是由性能不同的多種成膜物組成的涂料體系，一次涂覆在基層上，在介質(zhì)的揮發(fā)或固化過程中，能自發(fā)地產(chǎn)生相分離和組分遷移，形成涂膜組成逐漸變化的梯度涂層，其性能類似多層涂料。其涂膜形成的機(jī)理是，不同聚合物極性不同，分子間作用力不同，在介質(zhì)中的溶解度不同，是一個(gè)熱力學(xué)上的不穩(wěn)定體系，隨著涂膜干燥和固化的進(jìn)行，介質(zhì)組成不斷變化，互不相溶的成膜樹脂在界面張力梯度的作用下，通過液相對(duì)底材選擇性潤(rùn)濕和對(duì)氣相界面的趨向差異，使得兩相相對(duì)流動(dòng)，導(dǎo)致樹脂間的相分離，形成涂膜樹脂組分的梯度分層結(jié)構(gòu)。

具有雙微觀特殊結(jié)構(gòu)的疏水涂層

Barthlott和Neihuist通過對(duì)荷葉等植物葉子的表面觀察發(fā)現(xiàn)，荷葉的表面有很多微米級(jí)乳突以及表面能較低的蠟晶，這使得荷葉表面具有超疏水自清潔特性。近年來，人們對(duì)荷葉超疏水性能的深入研究，發(fā)現(xiàn)荷葉表面的微米乳突上還分布著納米分支結(jié)構(gòu)，該種雙微觀結(jié)構(gòu)使得荷葉表面獲得了極高的接觸角，限制了液滴在其表面的鋪展，使得液滴呈球狀且能以較小的傾角滾落。

基于納米材料的耐玷污涂料

納米材料由于其特殊的表面性質(zhì)在建筑涂料方面得到了大量的使用而引人注目，納米材料的加入可以提高涂料的硬度、耐水性，進(jìn)而提高涂料的耐玷污性。張超燦詳細(xì)研究了加入納米Si O2后水性外墻涂料的耐玷污性，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)改性后的納米Si O2加入聚丙烯酸酯水性外墻涂料中，涂膜的表面硬度和耐玷污性能有較大提高。賈正鋒等采用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)、N-甲基全氟辛基磺?；坊┧嵋阴?MPSAEA)和甲基丙烯酸甲酯共聚在聚合物中成功引入含氟單體，然后利用原位復(fù)合技術(shù)引入Ti O2納米微粒，制備了均勻透明的Ti O2納米復(fù)合含氟聚合物材料，得到具有疏水性的涂層。2