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自清洁,耐沾污涂料

发布时间:2014-12-06

氟碳漆区别于普通涂料的最大特性,就是自清洁,耐沾污的特性,也是其能够被各大场馆、公共建筑物青睐的主要原因。那么氟碳漆为什么具有自洁性能,什么的涂料才具有自清洁、耐沾污的特性?

雨过天晴,让我们来看看叶子上的水珠吧。多数的叶子上,水珠是这个样子的。荷叶上,水珠晶莹剔透,可以滚来滚去,即使在上面浇一些污水,也不会在叶子上留下污痕。

如果建筑物的外墙、露天的广告牌等等表面也象荷叶一样,不就可以永保清洁而免去清洗的麻烦了吗?这种具有“自清洁”能力的表面,在人们搞明白了“出污泥而不染”的原因之后,通过应用纳米技术,研发出氟碳涂料已经实现了。

一、从接触角谈起

为什么有的叶子上的水珠是球形,可以滚来滚去,有的叶子上却很扁,乖乖的呆在一个地方不动呢?让我们看看下面这幅图:

接触角

红线与绿线之间的角度代表接触角,从上图看成,接触角越大,则涂料的自清洁性能越好。

如果我们不想让水留在固体表面,就要增大接触角。比如说,水在一般的布上接触角很小,水到了上面就把布打湿了。但是用布来做雨伞的时候,我们把一些特殊的物质涂在布上,这样布的接触角就变得很大,就不会被雨水打湿了。

我们的头发,还有许多动物,象猫啊狗啊,一下雨就被打湿了。鹅和鸭这些动物的毛就不会被打湿,往它们身上浇点水,它们一扑腾,水就掉光了。这也是因为水在我们的头发,或者猫狗毛上的接触角很小,而在鸟的羽毛上就很大。

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二、荷叶效应

人们知道接触角和表面张力已经很多很多年了,但是很长的时间内却无法作出荷叶那样的表面来。也就是说,人们找不到那么疏水的物质,可以是使接触角象荷叶表面那么大。荷叶表面,有着什么样的秘密呢?

直到二十世纪七十年代,因为扫描电子显微镜的使用,人们才开始明白荷叶高度疏水的原因。下面是用电子扫描显微镜“看”到的荷叶表面。

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荷叶表面原来非常的粗糙!左边的照片上的标度是20微米(微米是千分之一毫米),也就是说,荷叶表面布满了大小在几微米到十几微米之间的突起。如果把这些突起继续放大,如右边的图,每个突起上还布满了更小的突起,或者说细毛。荷叶的超强疏水性,原来不仅跟表面疏水性有关,还跟这种超微结构有关。

为什么这样的“粗糙”结构就能产生超强的疏水性呢?我们来看下面的图:

 
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前面说了,接触角的形成是减小整个体系总界面能的结果。对于一个疏水的固体表面来说,当表面不平有微小突起的时候,有一些空气会被“关到”水与固体表面之间,水与固体的接触面积会大大减小。具体的数学推导在这里就省略了,总之,科学家们可以从物理化学的角度用数学来证明:当疏水表面上有这种微细突起的时候,固体表面的接触角会大大增加。

当接触角不是特别大的时候,象第一副图中的草叶上,水滴呈半球形,而半球形是无法滚动的。如果有了这种超微结构,象荷叶表面,接触角接近180度,水滴接近于球形。而球,可以很自如地滚动。即使叶子上有了一些脏的东西,也会进入水中被水带走。这样接触角非常大的表面(通常大于150度),就被称为“超疏水表面”,而一般的疏水表面只要接触角大于90度就行了。超疏水表面的特性就在于:水在上面形成球状滚动,同时带走上面的污物,这样的表面就具有了“自清洁”的能力。

三、荷叶效应的应用——“自清洁表面”

自然界里具有“自清洁”能力的超疏水表面,除了荷叶之外,还有芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种自清洁除了保持表面的清洁,对于防止病原体的入侵还有特别的意义。象荷叶芋头这样的植物,即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病,很重要的原因就是这种自清洁能力。即使有病原体到了叶面上,一下雨也就被冲走了。如果不下雨的话,叶面很干燥,病原体还是生存不了。

明白了荷叶效应的物化原理,科学家们就开始努力模仿这种表面。有了正确的理论指导,应用研究的发明进展很迅速。现在,材料学家们可以通过表面处理产生这样的超疏水表面,也可以用疏水的微米或者纳米粒子做成涂料,来产生自清洁涂层。具体的技术这里就不介绍了,下图是一个仿荷叶表面的例子,是不是跟前面图中的荷叶表面非常相似?

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下面的图是水滴在这种材料表面的形状。材料是相同的,右边是光滑的常规表面,左边是按照荷叶效应做出来的超疏水表面(仿荷叶表面)。在光滑表面上,水滴不会滚动,如果把表面倾斜,它只能滑动,不能有效地把表面上的污物带走,类似于第一张照片中草上的水滴。而仿荷叶表面上的水滴接近球形,如果把表面倾斜,它就可以滚动,从而把表面上的污物带走。

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在1997, “荷叶效应”这个词的英文“Lotus Effect ”甚至被注册成了商标。随后的几年中,基于“荷叶效应”的涂料问世,在越来越多的建筑涂料中得到了应用。根据该公司自己提供的数字,现在已经有几十万座建筑使用了这种涂料。下图是效果图,水滴滚过的地方,脏东西被带走,留下了干燥清洁的表面。

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原文转载自:http://songshuhui.net/archives/12204/ 

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