基本信息
- 项目名称：
- 玻璃表面超疏水涂层的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 以玻璃微珠为主体构造涂层表面的粗糙结构，以硫酸作催化剂，应用D4开环后原位接枝在玻璃微珠的表面原位形成疏水层，达到超疏水的目的。将原位聚合改性的溶液喷涂到洗净的玻璃片上，自然干燥后，放入烘箱中烘干，形成涂层。经测试涂层接触角达到155°以上，滚动角小于1°。
- 详细介绍：
- 超疏水涂料是一种具有特殊性能的新型涂料，拥有超疏水性能的表面，水滴在它上面几乎不沾。此外，这种涂料还可以防腐，防冰，防雾。在现有的管道运输中存在着运输的粘滞力，极大地降低了运输效率，增加了运输的能源耗费量，如果使用具有超疏水表面的管道进行运输，将极大地提高运输效率并且可以节约能源。目前国内外研究超疏水的报道越来越多，制备超疏水涂层的方法也越来越多，国外已有公司研发出超疏水涂料在市场上销售。然而，国内尚无同类产品的生产商。目前研究表明，通过控制固体表面的拓扑结构以及表面物质的本征表面能，可以使其获得超疏水性能。本课题组以玻璃微珠作为涂层的微-纳米复合结构的主体；以硫酸做催化剂，利用D4（八甲基环四硅氧烷）在玻璃微珠表面开环原位聚合形成疏水的甲基硅氧链，降低玻璃微珠的表面能。调节玻璃微珠在涂料配方中的含量，所制得的涂层相应具有不同的接触角值。优化玻璃微珠在配方中的含量，使得涂层表面拥有比较理想的粗糙度，接触角为155.7°，滚动角小于1°，涂层表面达到超疏水。而且，我们可以将配好的涂料，直接倒入喷涂机中进行喷涂。这种方法简单而高效。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：超疏水是一种特殊的性质，拥有超疏水性能的表面，水滴在其上几乎不沾。制备一种这样的涂层不仅可以防水，防腐，而且可以防冰，防雾。值得注意的是，超疏水涂料是一种新型涂料，国内的生产商较少，涂料的品种也较为单一。本发明有望应用于实际的生产生活中，填补国内涂料市场的空白。 本课题的设计基于仿生制备超疏水涂层的两个基本思路：一是在粗糙表面用低表面能物质修饰；二是在低表面能物质上构筑粗糙表面。通过玻璃微珠构筑粗糙表面的微米级粗糙表面，然后用低表面能物质D4开环产物对玻璃微珠表面进行修饰，一定的反应时间后，喷涂到干净的玻璃片上。这个过程控制玻璃微珠用量，能达到超疏水表面，并且有较小的滚动角。 创新点：在众多构造粗糙表面的方法中，使用玻璃微珠构造粗糙表面是简单有效的方法，而且操作简单可行。玻璃微珠的选用，玻璃微珠使用的量，喷涂的量，以及偶联剂的用量对形成超疏水都有重要影响。 技术关键：通过玻璃微珠和低表面能物质的复合，使玻璃表面涂层水接触角达到150°，并能在玻璃表面有一定的粘附性。 主要技术指标：接触角是否能在150°以上，滚动角是否小于10°。
科学性、先进性
- 科学性：研究表明，通过控制表面的拓扑结构以及表面物质的表面能，可以使表面获得超疏水性能。目前大部分的研究都是仿照荷叶表面的特殊微纳结构，构造特殊表面达到超疏水的目的。 先进行：玻璃表面存在着难以除去的脂肪酸的酯基，而且，玻璃表面的粗糙化难以进行，即使用氢氟酸刻蚀，效果也不能尽如人意，因此在玻璃表面喷涂经过D4原位聚合改性的玻璃微珠，并控制玻璃微珠的喷涂量从而在玻璃表面构造如荷叶表皮细胞那样的微米纳米级结构变得相对可行。通过我们的实验，我们发现上述的方案是可行的。这种方法不需要模板，实施起来比较简单，而且没有用昂贵的含氟试剂，成本相对低廉，适应于工业生产。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品尚未参与任何活动
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 申请专利
作品可展示的形式
- 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用：将配好的涂料，直接可以用喷涂机进行喷涂，经干燥后即可得固体膜。此超疏水涂层，在管道输送中、卫浴产品、及汽车挡风玻璃上都有应用前景。 技术特点：以玻璃微珠为粗糙表面的主体，以D4开环产物为低表面能物质，在合适的粗糙程度下形成超疏水表面。 市场分析：在现有的管道运输中都存在运输的粘滞力，极大的降低了运输效率，增大了运输成本，使用超疏水表面运输将极大的提高运输效率，提高工作效率，本作品在这方面有极大的应用和市场。国内生产超疏水涂料的企业比较少，国外的同类涂料比较昂贵。本涂层的成本低廉，加工也比较简便，喷涂的方法也比较简单具有明显的竞争力。如果能加以深入开发利用，可以便利于人们的生产生活。而且本发明所需要的投资较少，一般的小型工厂即可以进行生产。
同类课题研究水平概述
- 国际上对超疏水涂膜的研究始于20世纪40年代,在20世纪末随着表面科学技术的发展,超疏水自清洁涂膜的制备引起人们广泛的关注。文献上通常将水接触角在150°以上、滚动角小于10°的表面称为超疏水表面。目前对于超疏水的理论解释主要有要有上述Wenzel和Cassie-Baxte模型其方程。 受荷叶表面的超疏水性质即“荷叶效应”的启发并经过一段时间深入研究，人们发现材料表面的超疏水性质是材料表面的化学组成及表面结构共同作用的结果。江雷教授首次提出了“二元协同作用”这一概念。根据这一概念，超疏水表面通常需要经由两步获得：(1)在材料的表面构筑粗糙结构；(2)在粗糙表面上接枝低表面能的试剂。基于这两条基本原则，许多方法被用来构建超疏水表面，其中最常用的制备手段有：溶胶－凝胶法、模板法、电化学方法、等离子溅射法、合成新的具有特殊结构纳米粒子和在自然条件下形成具有二元结构高分子膜等。溶胶-凝胶法制备的纳米结构对超疏水性能起到重要的作用,它可以产生很高的接触角,在国外发达国家的超疏水涂层研究中占有非常重要的地位。Javier Bravo等将基材反复浸入PAH（聚丙烯胺盐酸）和SiO2溶胶再烧结，经过20次循环浸泡然后自装组（1H，1H，2H，2H－全氟三氯硅烷），制得接触在160°左右的透明涂膜；H. M Shang等研究了不同粒径尺寸的SiO2溶胶对接触角的影响，并利用SiO2溶胶和自组装技术制备出超疏水涂层；N. Shirtcliffe等分别利用MTOS和PTEOS制备溶胶，移入到聚苯乙烯瓶中密封20小时，再划小口室温干燥3天后涂于玻片上，再加热，400℃时样品由疏水变为亲水，再浸涂TMSCL或PDMSCL后又具有超疏水效果；Kiyoharu Tadanaga等分别在基材表面浸涂AL2O3和TiO2双层溶胶。再自然干燥或烧结，再自组装氟硅烷可得接触角达160°的涂层；Rosa Taurino等采用喷枪喷涂有机无机杂化溶胶（TEOT，TEOZ，TEOS和FLKS10），干燥后再旋涂氟化材料，得接角在157°，滞后角为2°的涂层；Y.H Xiu等利用TMOS和IBMOS（异丙基三甲氧基硅烷）制取复合溶胶再陈化涂于玻片上，制得接触角为166.3°，滞后角为2.1°的超疏水涂层，并研究了不同质量比（TMOS：IBTMOS）对接触角的影响。
