[科普中国]-疏水性涂料

简介

表面疏水技术是一门广博精深和具有较高实用价值的基础技术，在人们日常生活中有着广泛的应用。通过设计不同结构、化学和物理特征的涂料，能够提供固体材料新的附加功能，特别是现代工业对疏水涂料的快速增长的需求，给功能化的疏水涂料于勃勃生机。超疏水涂层正是在此基础上发展而来的新型表面技术。

疏水涂料常指涂膜在光滑表面上的静态水接触角θ大于90°的一类低表面能涂料，而超疏水涂料是一种具有特殊表面性质的新型涂料，是指固体涂膜的水接触角大于150°并且常指水接触角滞后小于5°，具有防水、防雾、防雪、防污染、抗粘连、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要特点，在科学研究和生产、生活等诸多领域中有极为广泛的应用前景。1

理论模型液体在固体表面的润湿特性常由杨氏方程描述。液滴与固体表面间的接触角大，润湿性差，其疏液体性强；反之则亲液体性强。固体表面的疏水性与固体表面的表面能密切相关。固体表面能低，静态水接触角大，水接触角大于90°时呈明显的疏水性。目前已知的疏水材料有机硅、有机氟材料的表面能低，并且含氟基团的表面能依－CH2－>－CH3>－CF2－>CF2H>－CF3的次序下降。－CF3基团的表面能小至6.7 m J/m2，在光滑平面上的水接触角最大，通过Dupre公式可计算为115.2°，长链碳氢基团的自组装有序单层膜的水接触角可达112°。而通常低表面能无序排列的有机硅、有机氟聚合物的水接触角分别为101°、110°。

常用材料氟/硅材料

氟元素的电负性最强，原子半径很小，原子极化率很低，有机氟化合物中C－F键键能大，氟原子沿着碳键作螺线形分布，具有屏蔽效应，分子间作用力小，表面能很低。氟碳涂料中PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA等是常用的耐候绝缘疏水涂料。也有人用PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物等来制作超疏水涂膜。但氟树脂与基体表面存在弱界面层，与金属等基体结合强度差，需结合其它技术提高其对底材的粘附力，应用范围有明显限制。

其它疏水材料

其它合成高分子熔体聚合物如聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡等结合一定的工艺技术也可获得超疏水性。Han等使用原子转移自由基聚合合成的三元嵌段共聚物Pt BA-b-PDMS-b-Pt BA制作了超疏水涂膜。

有机-无机杂化材料

有机-无机杂化材料常具有纳米结构，不仅可提供含特定微观结构的粗糙度，还能获得显著的静态疏水性。由烷氧基硅烷制得的溶胶-凝胶杂化材料由于其独特的光学性能被直接应用于传统光学材料、有色玻璃、光防护、光成像、激光、信息记录及其它器件。

应用自分层涂料

当涂料中某些成分的表面能与其他材料的表面能相差较大时，涂料在固化过程中将有相分离的趋势，即自分层效应。自分层涂料是由性能不同的多种成膜物组成的涂料体系，一次涂覆在基层上，在介质的挥发或固化过程中，能自发地产生相分离和组分迁移，形成涂膜组成逐渐变化的梯度涂层，其性能类似多层涂料。其涂膜形成的机理是，不同聚合物极性不同，分子间作用力不同，在介质中的溶解度不同，是一个热力学上的不稳定体系，随着涂膜干燥和固化的进行，介质组成不断变化，互不相溶的成膜树脂在界面张力梯度的作用下，通过液相对底材选择性润湿和对气相界面的趋向差异，使得两相相对流动，导致树脂间的相分离，形成涂膜树脂组分的梯度分层结构。

具有双微观特殊结构的疏水涂层

Barthlott和Neihuist通过对荷叶等植物叶子的表面观察发现，荷叶的表面有很多微米级乳突以及表面能较低的蜡晶，这使得荷叶表面具有超疏水自清洁特性。近年来，人们对荷叶超疏水性能的深入研究，发现荷叶表面的微米乳突上还分布着纳米分支结构，该种双微观结构使得荷叶表面获得了极高的接触角，限制了液滴在其表面的铺展，使得液滴呈球状且能以较小的倾角滚落。

基于纳米材料的耐玷污涂料

纳米材料由于其特殊的表面性质在建筑涂料方面得到了大量的使用而引人注目，纳米材料的加入可以提高涂料的硬度、耐水性，进而提高涂料的耐玷污性。张超灿详细研究了加入纳米Si O2后水性外墙涂料的耐玷污性，研究发现，经改性后的纳米Si O2加入聚丙烯酸酯水性外墙涂料中，涂膜的表面硬度和耐玷污性能有较大提高。贾正锋等采用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)、N-甲基全氟辛基磺酰基胺基丙烯酸乙酯(MPSAEA)和甲基丙烯酸甲酯共聚在聚合物中成功引入含氟单体，然后利用原位复合技术引入Ti O2纳米微粒，制备了均匀透明的Ti O2纳米复合含氟聚合物材料，得到具有疏水性的涂层。2