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亲水膜层处理工艺在汽车、摄像头/相机、太阳能等领域的重要意义

2022年02月20日 点击:

润湿性是固体材料表面的基本性质,表面润湿性的调控对于材料在生物医用、仿生、涂料、润滑、液体输送、自清洁等许多方面的应用具有重要意义,因此关于超疏水、超疏油、超亲水等各种极端润湿特性表面的研究近年来得到了广泛的关注,成为材料科学领域的一个热点。其中亲水膜层处量工艺是行业中应用最广泛的工艺之一。先来看一下几个概念:

接触角:是指在固、液、气三相交界处,自固-液界面经过液体内部到气- 液界面之间的夹角。

“亲水性”:指带有极性基团的分子,对水有较大的亲和能力,可以吸引水分子,或易溶解于水。

疏水:是表观接触角CA>90°C时的水。

超疏水:是一种新型材料,它可以自行清洁需要干净的地方,还可以放在金属表面防止外界的腐蚀。

超亲水:接触角θc趋近于0°,但是实际使用中,接触角在5°以下就能有防雾效果,所以接触角<5°就算超亲水。

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扩展资料:

若θ<90°,则固体表面是亲水性的,即液体较易润湿固体,其角越小,表示润湿性越好;若θ>90°,则固体表面是疏水性的,即液体不容易润湿固体,容易在表面上移动。至于是否液体能进入毛细管,这个还与具体液体有关,并非所有液体在较大夹角下完全不进入毛细管。

润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上,当达到平衡时,形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式(Young Equation):

γSV = γSL + γLV×cosθe

由它可以预测如下几种润湿情况:

1)当θ=0,完全润湿;

2)当θ﹤90°,部分润湿或润湿;

3)当θ=90°,是润湿与否的分界线;

4)当θ﹥90°,不润湿;

5)当θ=180°,完全不润湿。

毛细现象中液体上升、下降高度h。h的正负表示上升或下降。

浸润液体上升,接触角为锐角;不浸润液体下降,接触角为钝角。

上升高度h=2*表面张力系数/(液体密度*重力加速度g*液面半径R)。

上升高度h=2*表面张力系数*cos接触角/(液体密度*重力加速度g*毛细管半径r)。

润湿性问题与采矿浮选、石油开采、纺织印染、农药加工、感光胶片生产、油漆配方以及防水、洗涤等都有密切关系。

任何两相物体相接处时,接触面的表面张力就表现为界面张力。用表示。

当气体在水中固体表面附着并达到平衡时,任意两相之间的界张力

可以看出,当3个力达到平衡时,有如下的平衡方程式,即:

固气= 固液+ 液气

式中,固气、液气和固液分别为固-气、和固-液界面的表面张力(或表面自由能);为接触角。这一平衡状态方程式杨氏在1805年确定的,称为杨氏方程。

上式表明,接触角式三个相界面自由能的函数,它既与矿物表明性质有关,也与液相、气相的界面性质有关。凡是能够因其任何三相界面自由能改变的因素,都可以影响矿物表面的润湿性。

接触角度量与矿物可浮性的关系。根据杨氏方程,由θ的大小,可以度量不同矿物润湿程度的高低。当θ液气,液滴被拉开,沿矿物表面展开,矿物表面被润湿,表现为亲水。

当θ>90°,固气< 液气,液滴收缩,沿矿物表面聚集成珠状,矿物表面不易被润湿,表现为疏水。

θ=90°,cosθ=0,规定为疏水表面与亲水表面的分界线。当θ=0,cos θ=1,固体被液体完全润湿。

当θ=180°,cosθ =-1,液滴对固体完全不润湿。

即接触角愈大,cos θ愈小,其可浮性愈好。并且cos θ值介于-1~1之间,于是对矿物的润湿性与可浮性的度量定义为

润湿性=cosθ

可浮性=1-cosθ

接触角与矿物可浮性之间的关系式:接触角愈大,cos θ值就愈小,其润湿性愈弱,则可浮性愈好;反之,接触角愈小,cos θ值就愈大,其润湿性愈强,则可浮性愈差。

矿物接触角可以测得,下表列出了部分矿物的接触角测定值,依据接触角可大致判断各种矿物的天然可浮性。 

部分矿物接触角测定值

矿物名称

接触角/(°)

矿物名称

接触角/(°)

78

黄铁矿

30

滑 石

64

方解石

20

闪锌矿

46

石 英

0~4

莹 石

41

云 母

约0

超亲水表面的制备方法

1、溶胶凝脂法

溶胶凝脂法的操作过程相对简便,一般在低温的条件下进行,也是目前无机涂层最常用的一种方法。对水解和缩聚的前驱体进行一定方式的改变,获取相应的表面化学组成的薄膜。在实验探究的过程中发现,对于锐钛矿溶胶制成的TiO2,通过进行紫外线的加入并进行光辐照,进而可以得到超亲水表面。在黑暗的环境下,这种方法制备的超亲水表面可以保持相对较长的时间。不过它会随着时间的推移,逐渐变成疏水表面。这种制作超亲水表面的方式因为在制作过程中需要紫外线的照射,不太适合制作高分子亲水表面,因此,这种制作方式存在一定的局限性。它在为我们研究提供便利的同时也存在一些局限,不利于广泛的应用。

2、电化学方法

电化学方法主要就是根据电化学沉积,电化学聚合等方式,对表面进行一定的处理,进而得到粗糙的结构,最终制成超亲水表面。这种制备方法不需要光照就能获取高质量的亲水表面,方法简便,但是获得的亲水表面只能维持较短的时间,再加上对于仪器的要求相对较高,以及技术层面的要求,所以,这种方式也不利于进行超亲水表面的制备。此外,还有一些方法如静电纺丝法、氧化还原法、水热法、等离子体技术、相分离法、气相沉积法、层层自主装法、模板法等方式,针对不同的应用途径可以采用相应的超亲水表面的制备方法。可以先通过实验,对这些方式有一个全面的认识,并不断的进行探究,积极寻求更多的方式制备超亲水表面,以便我们在日常生活中使用超亲水表面。

特殊浸润性表面

特殊浸润性是超亲水表面的特征,大致有三个不同的表面构成。分别是超亲水/超疏水可逆转变表面、超亲水/超疏水图案化表面和超亲水/超疏水梯度渐变表面。针对这三个特征,把握好不同的浸润表面之间存在的差别,在实际的应用过程中,可以有很大的帮助。

1、超疏水可逆转变表面

水滴在超亲水/超疏水可逆转变表面上呈现两种完全相反的状态。当表面为超疏水时水滴呈球形,而为超亲水时水滴迅速铺展成液膜。它们之间是可以通过一定的方式进行转变的,因为化学式的不同,在逆转的过程中可以通过施加外部的刺激,以及通过化学方式进行反离子交换,对粗糙表面进行改进,在高清的仪器下进行观察,可以看到它们的分子式会有相应的改变,这就是我们所说的超亲水/超疏水可逆转变表面。

2、超疏水图案化表面

在一定环境下,不同的浸润性条件下,表面的分子相对还是比较固定的,不会是一直处于变化和发展的过程,只有受到一定的外力或者环境的改变时,超亲水/超疏水图案化表面才会发生相应的变化。在对超亲水/超疏水图案化表面的制备过程中,人们渐渐地掌握了相关的资料,在实现超亲水/超疏水图案化表面的转换上也有了相应的技术。一般而言,通过光掩模的方式可以实现对超疏水图案化表面的获取。

3、超疏水梯度渐变表面

超亲水/超疏水梯度渐变表面目前有很多潜在的特征以利于人们的应用。如对液体的铺展、迁移等方面,这些都是通过超疏水梯度渐变的方式对粗糙表面进行改变而形成的渐变浸润性表面。此外,还有其他方式可以得到超疏水梯度渐变表面,如对超疏水表面的疏水物质进行一定的处理,去除掉这些疏水物质之后,就很容易得到超疏水梯度渐变表面。

超亲水表面的应用

超亲水表面的防雾原理主要是指通过利用超亲水表面,可以使水进行瞬间的铺展,然后蒸发,这种方式对于在一定程度上防止水滴的粘结有很大的帮助,因此具有防雾的作用,虽然没有被广泛的使用,但是其原理已经渐渐被人们熟知,并且在一步步的进行探索中。

由于水能通过自身的特点,渗透到污染物和TiO2表面分子级别的空隙里,经过雨水的冲刷,生活活动中出现的一些灰尘就能被及时的冲刷干净。这一方面,超亲水TiO2涂层一经发掘,就开始通过技术研究,应用到生产和生活中去。在车窗的后视镜、玻璃等方面得到了长远的应用。除此之外,在牙镜上的广泛利用也是商业化对超亲水表面的应用结果。对于新事物的认识了解并不断的应用到生活中需要一个过程,因此,通过不断的努力探索获得的结果对于方便人们的生活,增强生活质量有很重要的作用。

亲水膜工艺,改善表面接触角

亲水膜是利用在真空环境下,生长出一层或者多层超薄涂层。厚度跨越纳米和微米数量级(几纳米至1-2微米),大致相当于人的头发丝的百分之一到千分之一范围,从而对产品表面的外观和手感毫无影响,也不影响产品器件内精细元件的性能和生活用品材料的透气性。

汽车风挡玻璃、汽车后视镜、头盔镜、眼镜片、镜面、汽车漆面、建筑物和光伏组件上的玻璃、装饰石材、墙面、装饰金属表面、陶瓷表面、灯具表面、摄像机/相机镜头等,由于接触雨水、雾、空气中水汽等,这些基材表面都会受到水滴蓄积变得模糊不清或变脏。

特别是由于行车时雨、雾、其他水汽影响镜面视线,而发生交通事故事例举不胜举。

目前有很多防雨雾镀膜液,大部分都是斥水性(疏水性)的,虽然有一定的防雨雾功能,但斥水效果不明显,滞留小水珠,小水珠严重影响镜面光线反射或透视,从而影响了视线(如汽车外后视镜、风挡玻璃、头盔镜),造成行车事故。或者这些小水珠蒸发后就留下模糊的水渍和脏迹,影响装饰基材的美观。

而亲水性镀膜液可以在基材表面形成亲水性薄膜,这层薄膜对水接触角极小,能使水不形成水滴而形成大面积水膜自动向下滑落或平铺,防雨防雾防污。

自洁-超亲水原理

自洁超亲水玻璃膜中含有一种具有光催化活性的纳米材料,它能吸收一定波长的光,产生自由电子和空穴,使膜表面吸咐的污染物发生氧化还原分解而除去并杀死表面微菌,达到自洁的目的,已有研究表明空气中农业生产体系物和氮化物等有害污染分子的除去,一般的室内光线就可以启动的自洁功能。

而膜的超亲水性要归结于表面双亲区域的形成,当光照射在膜表面,表面膜中的桥氧键吸收能量发生断裂形成氧的空缺和低价金属离子,后者离解空缺周围的化学吸咐水而形成亲水区域,其它的表面区域则保持疏水状态,而水滴总大于(几个数量级)这些亲水区或疏水区,因此,水滴在经过一定时间光照后的膜表面会完全铺展开来,这种情况类似于二维毛细管现象。所以,从微观来说,膜表面存在亲水区和疏水区,而宏观上表现出超亲水性。

自洁防雾

污垢可以分为农业生产体系污垢和无机污垢,空气中漂浮有一定量的农业生产体系物,这些农业生产体系物会在物体的表面慢慢形成农业生产体系污垢,这种污渍雨水难以冲去,只有涮洗才可以除净。自洁超大型亲水膜组分中含具有光催化活性的纳米半导体材料,吸收一定波长的太阳称产生载流子使膜表面吸附水和氧分子形成羟基自由基和活性氧,它们具有非常强的氧化能力,能把表面吸附的农业生产体系物降解成二氧化碳和水,使玻璃具有自洁的功能或变得很容易擦洗。

自洁超亲水膜的抗雾能力也与具有光催化活性的物质有关,在光照下,氧化物光催化剂表面的部分桥氧键打开,使附近的吸附水发生离解形成羟基。这些羟基具有良好的亲水性,当水接触膜面就会完全润湿铺展,形成薄的透明水膜层,达到抗雾的目的。自洁超亲水膜中还具有良好的纳米亲水性物质,使膜更容易具有亲水性。

目前的亲水性的有二氧化钛镀膜液,主要的改进是在玻璃的减少漫反射和增加透光率,而且存在以下缺陷:

1、其亲水性需要紫外光照射激发,在夜晚和阴雨天无法发挥作用;

2、镀膜需要高温处理(一般在400℃~500℃),有些基材不能耐温,且高温处理需要消耗能源,在使用上条件受到限制;

3、机械强度不高,耐刮擦和抗剥离性能不强。另外亲水性的镀膜液还有丙烯酸类、聚氨酯类、环氧类防雾涂覆液,这些涂覆液形成防水防雾膜缺点是吸水溶胀或随水流失。

电控超疏水与亲水表面转换技术

用个电池通电,这个超疏水表面立即变成亲水,而且是可控的

研究人员使用电沉积方法在铜表面获得微纳结构(看上去像圣诞树),使其获得具有超疏水能力(下图左),但是,当接通电源时(用个普通电池1.5v的即可)发现其表面立即向亲水性转变(下图右),而且这种转变的能力大小可以通过电压和作用时间操控,意味着可以操控表面的浸润性,研究人员认为作用机理是表面氧化态的变化(CuO和Cu2O之间的转换),如下图所示:

亲水膜层处理工艺在汽车太阳能等领域的重要意义2.jpg

此前其他研究人员尝试过使用Uv或者X-rays操控表面浸润性,但是条件苛刻,非常不适合实际应用。而上述方法简单,有望在微流控和有害物质净化等领域应用,研究人员认为在其它金属或合金表面也可以获得类似的效果。