2024-01-08 09:07:51

在10年前，我曾接到一個(gè)雙疏涂料項目，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(xiàn)，最終沒(méi)有達到目標。

雙疏涂料，為什么這么難做呢？我們今天試著(zhù)來(lái)分析一下。

當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到雙疏表面的。

但人們發(fā)現自然界的荷葉，蕓苔表面僅為一般的蠟覆蓋，但與水的接觸角可達160°，表現出超疏水的性質(zhì)，這種現象被稱(chēng)為荷葉效應。

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)數微米級乳突組成，每個(gè)微米級乳突上又為無(wú)數納米級乳突所覆蓋，這種微米納米結構造成荷葉具有極高的粗糙度。

正是荷葉特殊的表面微觀(guān)形貌，使它具有超疏水性。為了更好地了解荷葉效應，我們使用楊氏公式，

cosθ =(γ_SG -γ_SL)/γ_LG

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(guān)形貌對接觸角的影響，因此楊氏公式只適用于光滑表面。

當在粗糙表面上時(shí)，將粗糙度i引入公式，得到下式：

cosθ'=i(γ_SG -γ_SL)/γ_LG

θ'為在粗糙表面上的接觸角。也可表示為

cosθ'=icosθ

當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'=f_s（1+cosθ）+1

根據這個(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微觀(guān)結構，可使表面穩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的微觀(guān)結構，如凹凸相間的納米結構，由于納米尺寸的凹的表面可使吸附氣體穩定存在，所以宏觀(guān)表面上相當于有一層穩定的氣體薄膜，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(cháng)的艦船防污涂料和減阻涂料?，F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)方法對制備大面積的涂層還是非常困難的。

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