透明超疏水材料的研究进展.docxVIP

超疏水表面在包括自清洁、防腐、防冰和流体输送过程中的减阻等许多领域都有广泛应用,透明的超疏水表面更是在太阳能光伏电池板和其他光学领域具有自我清洁的潜在应用。本文首先介绍了透明超疏水的相关理论,然后概括了制备超疏水表面常见的方法,重点归纳总结了用于构建粗糙度的不同物质,如SiO2?、TiO2等,并分析了其优缺点;最后,简单介绍了透明超疏水的应用前景,并对其研究方向进行了展望。

在大自然中,有很多动植物具有特殊的表面,例如荷叶、丹参叶、玫瑰花瓣、蚊子的复眼、水黾、壁虎的脚掌、沙漠甲虫、蝴蝶的翅膀等(图1)。

一个最为典型的例子就是荷叶虽然生长在淤泥里,但是其几乎永远保持清洁,所以古人可以写出“出淤泥而不染”的千古名句。后来,荷叶这种被雨水带走灰尘的现象称之为荷叶效应,荷叶之所以可以有这种现象,是因为荷叶表面每一个上皮细胞都会长出一个乳突,这些乳突仅有几个微米大,比人头皮上的发丝还细。不仅如此,每个乳突表面都充满着纳米级的小纤毛,这些多级分形的微纳结构会吸附空气,当水珠滴在荷叶上面的时候,由于强大的表面张力,水会被这层气膜托起来而无法接触其本身,江雷对此进行了研究,并说明这是超疏水表面形成的重要原因。

超疏水表面具有特殊的润湿性能,在自清洁、油水分离?、抗腐蚀、防结冰、减阻等领域具有广泛应用。例如,在织物涂超疏水材料,污垢就不会被轻易染上。还有汽车的挡风玻璃、后视镜等需要超疏水涂层。在航海中,船只可以通过在外面喷涂超疏水涂层来达到减阻的效果。在石油工业中,蜡沉积和流动阻塞会导致严重的安全问题和经济损失,坚固且多功能的超疏水涂层具有优异的原油排斥性,从而达到高效的运输性能。因此,超疏水表面对我们生活有着至关重要的作用,当然,在不改变原有物体形貌的前提下,透明超疏水材料是我们现在更关注的方向之一。

根据润湿性理论,表面粗糙度较大时,疏水性会增强,但也因此会使光散射的增加而导致透明度的降低。所以,固体表面粗糙度对涂层的透明性和疏水性的影响是相互制约的。因此,调控制备工艺,使表面具有适宜的粗糙度,同时满足透明性和超疏水性的要求是制备超疏水性透明涂层的关键。可见光的波长为400~700nm。为了保证透光率,一般表面粗糙度尺度小于可见光波长的四分之一。基于此条件,本文首先介绍了透明超疏水的相关理论,并介绍了透明超疏水表面的制备方法;其次,重点归纳了不同物质来构建透明超疏水表面的粗糙度,最后展望了透明超疏水表面的应用前景和发展方向。

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透明超疏水的相关理论

1.1?表面润湿性理论

润湿是一种常见的表面现象,润湿过程是固液界面取代固气界面的过程。早在1805年,就描述了理想光滑固体表面上液体的润湿模型,并从理论上指出了制备超疏水表面的条件之一———低表面自由能,但是这是建立在理想光滑表面上,实际上理想光滑表面并不存在,所以在1936年,研究粗糙表面的润湿行为时,认为液体会完全润湿粗糙表面的微小凹槽,并得到了表面粗糙度可以提高亲水表面的亲水性和疏水表面的疏水性的结论。1944年,在研究粗糙表面润湿行为时认为,粗糙表面凹槽中的空气在与液体接触时,被完全堵截在凹槽中,并指出了制备超疏水的第二个条件———粗糙结构。

1.2?透明度与粗糙度之间的竞争关系

固体表面粗糙度对涂层的透明性和疏水性的影响是相互制约的。由于表面粗糙度的增大,增加了光线在涂层传播过程中的散射作用。一方面,涂层疏水性由于表面粗糙度的增大而增强,另一方面,涂层的透明性却随粗糙度的增大而降低。因此,调控制备工艺,使表面具有适宜的粗糙度,同时满足透明性和超疏水性的要求是制备超疏水性透明涂层的关键。

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透明超疏水表面的制备方式

透明超疏水表面的制备有很多种方法(图2)。

2.1化学气相沉积法

化学气相沉积(CVD)是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法,从理论上来说,它是很简单的:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后它们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到晶片表面上。

2.2溶胶凝胶法

溶胶凝胶法(sol-gel)通常以无机物或金属醇盐作为前驱体,在酸性或碱性条件下进行水解、缩合,形成稳定的透明溶胶体系,溶胶再经陈化,形成具有三维网络或多孔的粗糙结构。

2.3喷涂法

喷涂法是最常用的制备超疏水材料的方法,通常会先将无机纳米粒子或聚合物分散在水或有机溶剂中,再对其进行改性,然后喷在基底上形成一层低表面能的粗糙层。该方法的优势是不需要复杂的设备,只需一个带气泵的喷枪,操作流程简单,并且不受基底的限制,几乎对任何基底都适用。提出了一种简单的喷涂方法,制备了厚度为82μm的超双疏涂层,该涂层具有较高的透射率(80%)和机械强度。

2.4化学刻蚀法

化学刻蚀法是通过激光或酸碱等在材料表面直接制备出微纳米粗糙结构的