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      超疏水纳米涂层技术

      一,自然界中的超疏水特性简介
      超疏水性固体表面是指表面对水的接触角在150°以上,前进接触角和后退接触角的差10°的固体表面。 自然界中许多植物的表面就是超疏水表面,典型的例子就是荷叶,所以超疏水效果也称之为荷叶效果。超疏水表面和疏水表面有着很大的区别,下面详细介绍一下。

        水滴和材料表面的接触角变化照片

      疏水物体表面,对水的接触角需要超过90°

      超疏水物体表面,对水的接触角需要超过150°

      亲水物体表面,对水的接触角小于60°

      按照超疏水的定义,表面对水的接触角需要超过150°,前进接触角和后退接触角的差值要小于等于10°,而一般的疏水表面,对水的接触角只是大于90°,水滴滚动时,前进接触角和后退接触角的差值则相差很大,远超过10°,差值大说明材料表面对水滴的粘附性更大,差值小则是粘附性小。超疏水表面对水滴的粘附性变得很小很小,这就具备了极为惊人的应用前景。进过超疏水技术处理后的物体表面,水滴液体无法站住脚,同时由于表面微观具有一定的粗糙度,在液体和固体之间有一层很薄的空气层,将液体和固体之间隔离开来,这使得超疏水物体表面具有了许多非常特殊的性能。

          原来吸水性特强的吸水纸,可以变得象荷叶一样,而且可以在吸水纸的不同部分加工成超疏水和超吸水的窗口,以此实现特殊用途。木材表面进过超疏水涂层技术处理后,依然保持木材固有质感,又不必担心会吸水变形,这就是超级木材。汉雄科技的涂层技术,在透明玻璃表面也可以形成透明光滑的超疏水涂层,一举突破了过去必须在粗糙物体表面才能加工出超疏水特性的技术约束。

      二,超疏水纳米涂层原理

      降低固体的表面自由能, 能够提高固体表面的疏水性。对于平整光滑的固体表面,其润湿性可以利用接触角通过以下的 Young 氏方程来评价, cosθ=(γSV—γSL)/ γLV   

      式中 γSL、γSV、γLV 分别为单位面积液-固界面、 固-气界面、液 - 气界面的界面自由能。 Dupre  以及Girifalco-Good  的研究表明,在平整的固体表面,通过—CF3 的紧密有序排列能够得到最低的表面自由能为 6.7mN/cm,在这样的固体表面,水的接触角最大可达 120°。 

      Wenzel 修正了上面的 Young 氏方程, cosθ’= r(γSV—γSL) / γLV= rcosθ 

      式中 r 为固体表面的粗糙因子。r 定义为粗糙表面的实际表面积与比表观表面积的比值,由于 r>1,因而增大固体表面的粗糙度在表面疏水时能够增大表面的疏水性, 在表面亲水性时, 又能提高表面的亲水性。

      Wenzel 模型的提出,为超疏水性固体表面(涂层)的制备提供了有力的理论基础。 

      Cassie 提出一个公式并假定水与空气的接触角为 180°,用以描述水在粗糙固体表面(由空气和固体组成的固体表面)上的接触角 θ’

            cosθ’= f cosθ + (1-f )cos180°= f cosθ + f –1 

      式中 f  为水与固体接触的面积与水滴在固体表面接触的总面积之比,如图所示

      Johnson Jr.  和 Dettre 通过模拟水滴在理想正弦曲率平面上的接触角指出,当固体表面形貌主要为 Wenzel 模型时,水在疏水性粗糙固体表面的接触角以及接触角的滞后 (前进接触角与后退接触角之差)均随粗糙因子 r 的增大而增大,当 r 增大到 1.7以后,继续增大 r,水的接触角继续增大,而接触角的滞后却减小。 这种现象主要是由于随着固体表面粗糙度因子的增大, 在水滴和固体表面接触界面上空气组分增大,使得疏水的固体表面由 Wenzel 模型转变

      为 Cassie 模型。Hazlett 从理论上分析了不规则碎片形表面对固体表面疏水性的影响。

      Onda 和 Tsujii采用控制烷基乙烯酮二聚体融熔体冷却的方法制备了超疏水性固体表面,该表面具有无规则碎片形貌,实验测得的水的接触角能够很好的和理论计算值相吻合。Drelich 从分子水平讨论了固体表面的不均匀性,结合液-固-气三相接触的线张力和接触角的滞后修正了 Cassie 方程。

          还有更多的学者对超疏水理论进行了更多的深入研究,因此超疏水理论变得异常复杂,这使得超疏水涂层材料的开发也非常艰难。近年来,超疏水理论还存在一定的争议,理论和实际存在着一定的距离,因此只有理论的创新才能带来实践的突破。南京汉雄科技在此领域做了些有益的探索,综合现有的理论和技术手段,并从实践中修正了原有理论的不足,开发出了实用性的涂层产品。

      三,现状与应用前景

          超疏水表面技术是目前全球最为热门的技术制高点,许多国际性的大公司都将还不成熟的实验室技术拿出来展示,以此提升知名度,吸引资本市场的关注。(参阅新闻:诺基亚手机展示超疏水技术)中国由于科研体制的原因,科研单位和企业之间缺少接口,超疏水技术长期处于科研单位展示阶段,实用性的超疏水技术产品,市场上始终很少见到,多数传统涂料厂家将疏水性能好的涂料说成是超疏水涂料,以至于让消费者产生了怀疑。目前,许多超疏水专利技术都存在着工艺十分复杂,成本太高的致命问题,真正低成本实用性的产品无法见到,这是现今超疏水技术应用的难点。同时由于超疏水理论还存在一定的争议,造成了理论无法有效指导实践的困境。

      南京汉雄科技发展有限公司独立研发超疏水涂层液五年,目前已经推出具有很好的实用性的涂层液产品,可以广泛应用于:检测试纸、木材、玻璃绝缘子、汽车反光镜、摩托车头盔、眼镜、毛玻璃、电子线路板、手机、混凝土建筑、砖石外墙等领域。

      以下实例图片均采用汉雄科技超疏水涂层技术处理后,自行拍摄完成,汉雄科技版权所有,不得抄袭!

      目前大多数用户无法分辨超疏水和疏水之间的区别。下面一张图是汉雄科技玻璃透明疏水涂层和玻璃透明超疏水涂层的对比,这是使用不同涂层在同一块玻璃片上实现的。

      汉雄科技研制的超疏水涂层技术,可用于透明玻璃板。由图可见,左右部分存在这一条明显的分界线。左边是汉雄科技玻璃疏水涂层技术处理后的效果。水滴和涂层之间的接触角大于90°,最大可到110°,但是水滴和固体基地之间还是有一定的粘附性,此时水滴已经可以自由滑动了。右边是进一步经过超疏水涂层技术处理后的效果。由于水滴很难在超疏水部分站住脚,稍微的晃动都会导致水滴滚落,这张照片的拍摄需要将玻璃调整为完全水平状态,水滴才能勉强站住脚不滑落。此时水滴接触角已经大于150°,这是超疏水的典型状态。为了减少拍摄难度,图片中的水滴都是体积较大的,玻璃厚度大约1.5毫米。

      汉雄科技超疏水涂层液部分实验室样品

      四,超疏水涂层实际应用测试

      上图是透明玻璃超疏水涂层 上图是无尘吸水纸超疏水涂层与正常部分对比

      上图是声卡电路板超疏水涂层 电路板超疏水涂层与正常部分对比

      上图是木材超疏水涂层与正常部分对比 上图是无尘吸水纸超疏水涂层与正常部分对比

      以上是部分材料表面应用超疏水纳米涂层技术实现的应用效果。汉雄科技已经开发出多型号的涂层液,以满足不同应用场合的需要。

      五,超疏水涂层液特征

      1,主要成分和理化特征:

          超疏水涂层液主要由形成超疏水膜层的固体物质和易挥发溶剂混合而成。由于不同的材料表面特性不同,相应的膜层的固体物质和易挥发溶剂也不相同,这是目前超疏水理论缺失的部分,汉雄科技公司对此进行了大量的实验,发现了这一重要特性。实验证明,在一种材料表面超疏水特性极佳的涂层液,用于另外一种特定材料,会完全失效。

      形成超疏水膜层的固体物质化学特性稳定,常温下不与常见的气体液体发生化学反应,属于一种惰性材料。易挥发溶剂主要是为了便于施工,主要有醇类溶剂、脂类溶剂,以及其它有机溶剂。

      涂层液是一种溶胶体系,外观半透明,不同型号在自然光下会有偏黄、偏蓝特性。多数型号涂层液含有易燃易挥发的无毒有机溶剂,特殊型号的,还含有低毒溶剂,实现特殊用途。

      涂层液产品需要保存在通风、无火源、除静电的室温环境,可耐低温储存,避免高温环境保存。由于是化学惰性材料,有效期可以保持很长时间。

      2,施工

      汉雄科技超疏水涂层液施工非常便利,可采用喷涂、浸涂,刷涂,旋涂,淋涂等涂装行业常见的涂装工艺,待溶剂快速挥发完毕,即可完成施工。涂装之前的材料表面,需要进行常规的清洁处理,将各种油脂杂质、灰尘完全清洗干净。

      超疏水纳米涂层将粗糙度控制在纳米尺度,因此可以获得透明超薄的涂层,可以在部分材料上使用而不改变材料本身的色泽,人眼感觉不到涂层的明显存在。这个特性非常有利于实际的应用。

      3,综合成本

      由于汉雄科技采用了自主的技术路线,没有采用目前常见的超疏水专利技术使用的常规技术,因此从一开始就避免了高成本的技术陷阱,它就是一种为广大普通用户开发出的用的起的产品。

      汉雄科技推出的超疏水涂层产品,是在性能、价格、施工等几个关键环节进行综合权衡后,研发出的具有很好实用性的产品,可以为传统行业用户提升自身产品附加值,提供极为广阔的空间!

      六,未来展望

      目前全球范围内,技术完美的超疏水涂料产品,是不存在的,各大公司的技术都存在一定的缺陷,克服这些缺陷,还要在重大理论上获得重要突破。现有的技术体系,已经可以发展出具有实用价值的产品了,尽管还不完美。我们相信,经过我们的努力,完美的产品一定会诞生。

       

       

       

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