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超疏水表面或为防水行业带来一场新的材料革命!

2019年04月01日 点击:

导读


超疏水材料是指材料表面与水的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最早是在荷叶表面发现的,水滴可以在荷叶表面自由滚动,超疏水表面赋予了荷叶自清洁功能,从而达到“出淤泥而不染”的效果。目前,通过对超疏水表面的结构研究发现其表面都具有微纳米复合结构以及低表面能的物质,两者的协同效应导致材料表现出优异的疏水性。随着研究的不断深入,超疏水表面在建筑防水中的应用也越来越受到人们的关注。



超疏水表面的理论基础


润湿性是材料表面的一项重要特性,通常用接触角来描述。当水与材料表面接触角小于90°时,材料表面亲水;当水与材料表面接触角大于90°时,材料表面疏水;当接触角大于150°时,材料表面为超疏水表面。

早在1805年,T•Young就提出了理想、光滑、惰性表面的Young方程:

cosθe=(γSG-γSL)/γLG 



 

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其中,γSG、γSL和γLG分别为固气、固液和液气界面间的表面张力,θe为固体表面的本征接触角。可以看出,固体表面的润湿性受三相界面的共同影响。

然而,实际应用的材料表面并不能够达到Young方程所要求的理想状态,总会存在粗糙结构。因此,必须考虑表面粗糙结构对于润湿性的影响。

Wenzel引入了表面粗糙度概念,假定液体填满微结构表面的凹槽,则粗糙表面的表观接触角θ与光滑表面的本征接触角θe之间有如下关系: 

cosθ=r•(γSG-γSL)/γLG=r•cosθe


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定义r为材料表面的粗糙度因子,为实际接触面积与表观接触面积之比,r≥1。对于疏水表面,90°<θe<180°,cosθe<0。因此, cosθ<cosθe,即θe<θ。对于亲水表面,0°<θe<90°,cosθe>0。因此cosθ>cosθe,即θe>θ。可以看出增加材料表面粗糙度,可以使得亲水表面更加亲水,疏水表面更加疏水。



Cassie和Baxter研究认为液体与固体表面的接触是一种复合接触,疏水表面的液滴不能填满粗糙表面的凹槽,存在空气垫。因此存在如下关系式:


cosθ=fs(1+cosθe)-1


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其中,fs为复合接触中固液接触面积所占的比例。可以看出,对于粗糙的固体表面,空气垫部分所占的比例越大,固液接触面积越小,材料的疏水性越高。对于高度粗糙的固体表面,fs→0,cosθ→-1,θ→180°。



超疏水表面在建筑防水中的应用探索


传统的防水措施是为了防止水对建筑物某些部位的渗透而从建筑材料上和构造上所采取的手段。超疏水材料具有独特的疏水性,其疏水性能远远超过防水卷材和防水涂料等传统产品,在建筑物内外墙、地下室、玻璃及金属框架等的防水和防沾污方面具有巨大的应用潜力。


赵玺浩等发明了一种建筑外墙用泡沫水泥保温板用疏水自清洁涂料及其制备方法。该方法分为制备超疏水填料和制备疏水自清洁涂料两个步骤,制得的涂料可以滚涂、喷涂、刷涂到发泡水泥保温板上,常温干燥后就可以得到疏水自清洁涂层。该产品疏水性能优异,可广泛应用于建筑外墙体系。


A•Bake等采用简单的喷涂工艺在玻璃上制备了超疏水透明自清洁表面,涂层第一层为底漆层,第二层为功能化的纳米二氧化硅颗粒。该超疏水表面在300 ℃高温、高强度的紫外辐射12 h、高速水流冲击1 h下仍然稳定,这一优异的特性使得其在户外恶劣条件下仍然保持长期的超疏水自清洁性能。



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超疏水表面的自清洁能力


徐黎黎等以纳米级的气相二氧化硅和水性氟碳树脂为主要原料,以水为溶剂,通过氟硅烷疏水改性后获得了一种具有自清洁效应的超疏水涂料,该涂料可喷涂于各种软硬表面获得超疏水表面,其接触角均大于150°,滚动角均小于10°。水滴撞击实验表明,树脂增强的超疏水涂料经总体积为600 mL的连续水滴撞击后,其静态接触角依然大于150°,滚动角依然保持在10°以内。经砂纸打磨40周期后,水滴依然可以从其表面滚落。


鲁俊杰等通过将有机硅乳液与含氟丙烯酸乳液复合并添加纳米SiO2制备了外墙用水性超疏水涂料,研究了涂料配方和固化温度对涂层超疏水性能的影响,并考察了涂层超疏水性能耐水稳定性。结果表明,所制备的超疏水涂料环境友好,生产和涂装工艺简单,可室温固化,涂层超疏水性能稳定,耐沾污性良好。


周建伟等发明了一种用于建筑物外墙和保温管线领域具有相变功能的超疏水涂料的制备方法,通过复合水性氟硅丙烯酸乳液、有机相变微胶囊以及纳米粒子来构建具有微纳米二级结构的超疏水相变涂料。将氟硅丙烯酸乳液、有机相变微胶囊、纳米粒子以及消泡剂和水混合均匀后,采用高速分散机或超声粉粹机进行分散,0.3~2 h后即得超疏水涂料。该发明制备方法简单,制备的疏水涂料具有保温和自清洁性能,方便大面积施工。


袁腾等采用外乳化法,以自制的长碳链烷基三乙氧基硅烷乳化制备了渗透型硅烷防护膏体,对经膏体养护的混凝土进行接触角、吸水率、渗透深度和综合涂布性能等测试,结果表明:硅氧烷烷基碳链长度越长,所制备膏体的渗透深度就越小,防护表面水的接触角就越大,增加涂布次数有利于提高其对混凝土的防护效果,甚至可使混凝土表面达到超疏水状态。


左桂福等以107#硅橡胶和含氟聚硅氧烷的共混胶为基胶,通过独创梯度涂覆工艺制备出超疏水涂料,该涂料表面形成了类似荷叶乳突的多级微纳米结构。疏水角测试结果表明,水滴静态接触角平均值为157.5°,最高可达161.9°,滚动角仅为2°。与传统的疏水材料及工艺相比,该涂料成本低,制作工艺简单,有望在超疏水领域得到工业化应用。


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疏水层的宏观照片



展望


超疏水表面以其独特的微观结构展现出不同于常规防水材料的优异性能,已成为材料领域的研究热点。目前,超疏水表面的实际应用并没有大规模普及,还有许多问题亟待解决:首先,目前报道的制备方法,条件都比价苛刻,生产成本比较昂贵。因此,后续需要研究低成本大面积制备超疏水表面的方法。其次,材料表面的微观结构容易受到外界破坏,造成疏水性能的降低。因此,探寻具有可修复、无结构依赖性、光滑、低滚动角的新型表面,是未来研究的一个突破方向。此外,实际应用的材料表面粗糙不平,化学成分不均一,而且存在接触角滞后现象。因此,对于材料表面微观结构与润湿性的定量关系还有待深入研究。总之,超疏水材料以其优异的性能在建筑防水领域具有应用优势。随着研究的深入,超疏水表面的应用瓶颈将会得到解决,防水行业或将会迎来一场新的材料革命。


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