江苏海事职业技术学院研究团队探索超疏水材料在家电行业的应用前景,展现科技创新与实用价值的对比光芒。他们总结了超疏水材料的疏水机理和研究现状,并对其在家电行业的发展前景进行了展望。
在自然界中,荷叶、粽叶、水稻叶等植物表面都具有超疏水能力,这种现象被称为“荷叶效应”。通过扫描电镜观察,可以看到这些表面的微纳米凸起结构和分级构造,以及覆盖的一层蜡状物。这种结构使得雨滴只能与凸起尖端形成点接触,从而实现了超疏水性和自清洁功效。
除了植物之外,动物体表面如鸭子羽毛、蝴蝶翅膀、水上蜘蛛等也具有很强的疏水和自清洁功能。这源于它们表面的微米级鳞片和亚微米级纵肋综合作用。例如,蝴蝶翅膀表面由多个鳞片覆瓦状排列组成,每个鳞片又由亚微米级纵肋及连接组成,形成阶层复合结构。当雨滴落到翅膀表面时,大量空气被围困于亚微米级间隙中,使得翅膀具有超疏水功能。
静态接触角是衡量固体表面疏水性的重要指标之一,它是指液体内部至固/液界面的所经过角度,是润湿程度的量度,用α表示,如图2所示。90°以上为亲湿性,而150°以上则为超疏水性,有着更好的自清洁性能。
Young’s方程给出了接触角与表面能之间的关系,但仅凭降低材料表面能无法获取良好的超疏water效果,因此必须考虑到粗糙构造。关于粗糙表面的浸润性(亲湿/ 疎water性),目前有两种理论:Wenzel 和Cassie 理论。在Wenzel 的理论中,液体会填满粗糙表面的凹槽,而Cassie 的观点认为,由于凹槽内截留有大量空气,使得空气滞留在流动处形成气- 液- 固复合接触。
制备超疎water 表面通常从两个方面入手:一方面直接在低surface energy 材料上的构建粗糙结构;另一方面,对高surface energy 材料进行粗糙化,然后用低surface energy 物质进行化学修饰。不管采用何种方式,都需要制备出理想粗糙度的手段,以达到理想状态下的superhydrophobicity。此外,还包括刻蚀法、模板法、溶胶- 凝胶法、静电纺丝法等多种方法来实现这一目标。
基于大自然赋予的灵感,将这种神奇“荷叶效应”引入到材料领域已逐渐趋于成熟,有广阔应用前景,如石油管道防污减损、中航空器挡风玻璃防污以及家庭日常生活用品等。在家电行业,其潜力巨大,不仅可以提高产品耐用性,还能够减少维护成本,为消费者带来更多便利。