在10年前,我曾接到一個(gè)雙疏涂料項(xiàng)目,研發(fā)一個(gè)高光澤的既疏水又疏油的涂料。
經(jīng)過(guò)6個(gè)月的努力,嘗試各種技術(shù)路線,最終沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)。
雙疏涂料,為什么這么難做呢?我們今天試著來(lái)分析一下。
當(dāng)涂料表面上水的接觸角大于90°時(shí),為疏水表面,而接觸角大于150°時(shí),稱(chēng)為超疏水表面,不僅疏水也疏油,成為所謂雙疏表面。
由于水的表面張力為72 mN/m,而油為20-30 mN/m,從這里看出,僅通過(guò)表面張力的改變是很難達(dá)到雙疏表面的。
但人們發(fā)現(xiàn)自然界的荷葉,蕓苔表面僅為一般的蠟覆蓋,但與水的接觸角可達(dá)160°,表現(xiàn)出超疏水的性質(zhì),這種現(xiàn)象被稱(chēng)為荷葉效應(yīng)。
水在蠟上的接觸角不可能有如此之高,是什么原因使荷葉等具有如此好的超疏水性呢?經(jīng)研究證明這些天然植物表面無(wú)例外地都非常粗糙。
荷葉表面由無(wú)數(shù)微米級(jí)乳突組成,每個(gè)微米級(jí)乳突上又為無(wú)數(shù)納米級(jí)乳突所覆蓋,這種微米納米結(jié)構(gòu)造成荷葉具有極高的粗糙度。
正是荷葉特殊的表面微觀形貌,使它具有超疏水性。為了更好地了解荷葉效應(yīng),我們使用楊氏公式,
cosθ =(γSG -γSL)/γLG
下圖:光滑表面上液滴的接觸角
楊氏公式中本征接觸角的大小只決定于表面張力,而表面張力是由化學(xué)組成決定的。
在粗糙表面上接觸角不僅和表面張力有關(guān)也和表面粗糙度i有關(guān),楊氏公式忽略了表面微觀形貌對(duì)接觸角的影響,因此楊氏公式只適用于光滑表面。
當(dāng)在粗糙表面上時(shí),將粗糙度i引入公式,得到下式:
cosθ'=i(γSG -γSL)/γLG
θ'為在粗糙表面上的接觸角。也可表示為
cosθ'=icosθ
當(dāng)液體在平滑表面上的接觸角大于90°時(shí),i 增加時(shí),θ' 遂漸增大,直至獲得超
疏水表面或雙疏表面。
進(jìn)一步分析,在粗糙表面上的液滴并不一定能充滿(mǎn)所有溝槽,在液體下可能有空氣存在。
用fs表示固體表面上固體的比例,這時(shí)空氣占比為1-fs,那么楊氏公式進(jìn)一步改寫(xiě)為:
cosθ'=fs(1+cosθ)+1
根據(jù)這個(gè)公式,具一定親水性質(zhì)的表面,若其表面具有高粗糙度的特殊納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu),可使表面穩(wěn)定地存在一定面積的空氣,使液體與一定空氣接觸,也可得到超疏水表面。
例如,在各種材料的表面上若有納米尺寸幾何形狀互補(bǔ)的微觀結(jié)構(gòu),如凹凸相間的納米結(jié)構(gòu),由于納米尺寸的凹的表面可使吸附氣體穩(wěn)定存在,所以宏觀表面上相當(dāng)于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜,使油和水無(wú)法直接和表面完全接觸,此時(shí)表面便可呈超雙疏性。
超雙疏的漆膜表面具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。超雙疏涂料可以作為自清潔涂料,可用于防止生物生長(zhǎng)的艦船防污涂料和減阻涂料?,F(xiàn)在已有很多方法用于制造超硫水表面,如等離子表面聚合法、升華制孔法、化學(xué)沉積法、相分離法、模板刻蝕法和一步成膜法等,以上的物理或化學(xué)方法對(duì)制備大面積的涂層還是非常困難的。
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