超疏水涂层防冰、防污机理

JH精华新材 2024年09月10日 14:38 山东

1  超疏水涂层润湿性理论（略）

浸润性是影响固体表面疏水性能的重要因素，其主要与固体的表面张力和液体的表面张力有关，接触角和滚动角是衡量表面浸润性的重要因素。超疏水表面的接触角大于150°，滚动角小于5°，具有低表面能和强憎水性的特点，其疏水性能取决于其表面化学结构和表面粗糙度。

 图1  粗糙表面的水滴润湿模型示意图

仿荷叶超疏水涂层表面具有微纳二元复合粗糙结构，即表面分布有大量微米级的突起，而微米尺度突起上又分布大量纳米尺度的突起。这种复合结构可以使水滴不会浸润突起间的缝隙，使得尺寸远大于这种结构的水滴只能隔着空气在突起上形成点接触，在这种状态下，水滴具有很大的接触角和较小的滚动角，有利于水滴迅速从涂层表面滚落。

构造超疏水涂层表面不仅需要形成二元微纳复合粗糙结构，还需要采用低表面能物质，当低表面能物质的表面张力小于水的表面张力时，水滴接近球形，水滴落在超疏水涂层上时，很难在这种涂层表面停留，在释放其自身潜热前便能够迅速滚离表面。

  2  超疏水涂层防冰、防污机理

超疏水涂层防冰、防污技术的关键是降低冰和衬底的附着力，即提高表面的憎水性。如图2所示，超疏水涂层不仅可以降低绝缘子表面的润湿程度，其粗糙表面还可以减小涂层与污秽物的有效接触面积，水滴滚落超疏水表面时有机会把表面的大部分污秽物带走，这不仅提高了涂层的防冰性能，也可以在一定程度上起到防污作用。

图2  液滴从表面滚落带走附着的污染物 

水容易与氢粘合，容易吸附在具有氢结合成分（即氧原子）的表面，低附着力表面应具有将氧原子隔开的惰性原子或原子团。因此，防冰、防污涂料主要是含有碳氢化合物-CH2-或-CH3-、碳氟化合物-CF2-或-CF3-等低表面能基团的聚合物。

超疏水绝缘涂料主要有三类：第一类是有机氟、有机硅、烷烃及烯烃等化合物；第二类是有机氟、有机硅、烷烃及烯烃化合物跟其他有机物的共混体系，如丙烯酸-有机硅共混体系、环氧树脂-有机硅共混体系；第三类是有机氟、有机硅、烷烃及烯烃化合物跟其他带活性基团的有机物嵌段或者接枝共聚物，如氟烯烃-乙烯基醚二元共聚物、偏二氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯三元共聚物、偏二氟乙烯-四氟乙烯-三氟氯乙烯三元共聚物。

有机氟聚合物中，氟原子具有很强的电负性，增强了与碳原子的排斥力，同时，由于氟原子间的作用力很小，使其向外层迁移并在表层产生聚集效应，从而降低材料的表面能，所以有机氟聚合物难以被液体完全浸润或附着，且其修饰的表面有着很强的抗附着性和耐污染性。有机氟聚合物的表面能是已知化合物中最低的，尤其是以-CF3-单分子组成的分子层，表面张力仅为0.6×10-2N/m。

有机硅聚合物结构中既含有机基团，又有无机结构，表现出良好的疏水性能，并且具有高度支链结构，分子链柔顺性良好，易于转变成表面能较低的结构，表面能比有机氟聚合物略高，但有机氟聚合物的成本价格却远高于有机硅聚合物。