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抗污防雾透明涂料——吸水材料和疏水材料的完美结合!

2020年07月21日 点击:
从人们佩带的眼镜到摄像机镜头再到汽车用的挡风玻璃,透明材料已经应用于生活的方方面面。而这些广泛应用于生活的透明材料始终面临着一个问题,就是容易起雾。比如在冬天,戴着眼镜从室外进入室内,在眼镜上总会起一层雾遮挡视线,这一问题曾经困扰很多人。

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现如今,已经有很多透明材料防雾策略,最常用的就是在透明镜片表面修饰上亲水涂层,使得凝结在透明涂层上的水形成水膜而不是水珠,因此起到防雾的作用。但是经过亲水处理的镜片因为表面能大,而导致防污性能下降。为了保证透明材料防雾同时有耐污,也有科研工作者研通过在亲水涂层上覆盖上一层疏水的纳米材料,形成一种非均相的透明涂层。在有水汽将在透明涂层上凝结时,水分子可以透过疏水纳米层被亲水涂层吸收,以此来保证表面不起雾,而疏水纳米层则可以很好地起到防污地功效。这种方法虽然效果很好,但是一但亲水涂层吸水达到饱和,则会导致防雾功能失效。
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覆盖纳米疏水材料与亲水涂料示意图
近日,浦项科技大学地Hyomin Lee团队开发出一种新的吸水型超疏水复合涂料。这种涂料主要由亲水聚合物复合材料基底和疏水聚合物材料柱状阵列组成。涂料的基底材料利用的是壳聚糖和羧甲基纤维素,这两种材料之间有较强的静电吸引,使得基底材料结合紧密。而壳聚糖与羧甲基纤维素有很好的亲水性,可以作为涂料的吸水材料。在吸水聚合物涂层上在涂布一层二氧化硅纳米粒子。最后,再在二氧化硅纳米粒子层上接上柱状含氟聚醚,以达到疏水抗污的目的。这种具有纳米结构的涂料透明、可以实现防雾抗污的功能。
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新型涂料疏水和防雾功能示意图。
聚合物/纳米二氧化硅复合涂料基底
对于吸水的聚合物基底,厚度越厚则防雾性能越好。但是聚合物基底越厚则会导致透光率越差,因此为平衡透明性和防雾性能,将聚合物基底厚度控制在1793 nm。由于二氧化硅纳米粒子层的折射率低于聚合物涂层的折射率,因此在聚合物基底上涂布一层二氧化硅纳米粒子厚可以有效提升聚合物涂层的抗反射率。得到的复合涂料在400 nm到700 nm波长范围的光线透过率可以达到94.8%,比普通玻璃的透光率更高。将涂布有聚合物/纳米二氧化硅复合涂料的玻璃与普通玻璃进行了抗雾性能对比,普通玻璃上已经形成了雾状水珠使得实现被遮挡,而涂布有聚合物/纳米二氧化硅复合涂料的玻璃在相同条件下没有起雾。证明了该涂料优异的防雾性能和透光性。
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(c)聚合物/纳米二氧化硅涂料截面SEM图,(d)不同材料透光性对比,(e)和(f)不同材料防雾性能对比。
柱状含氟聚醚材料阵列
作者利用模板法在聚合物/纳米二氧化硅涂层表面接上了含氟聚醚材料阵列,使得形成了疏水表面。纳米二氧化硅层保证了含氟聚醚纳米柱子与基底涂料的紧密结合,而分布的含氟材料纳米阵列使得复合涂料更加疏水,而在水蒸气在涂料表面凝结的过程中,而柱状纳米阵列则不会阻止基底材料对水汽的吸收。由此,在保证疏水表面的同时,基底材料可以顺利吸收水汽保证涂料表面无水珠凝结。由于含氟材料的自润滑作用,柱状阵列还可以起到防刮的作用,在经过砂纸打磨厚,没有接柱状含氟聚醚材料阵列的聚合物/二氧化硅涂层出现明显的刮痕。
(a)柱状纳米阵列制作过程,(b)柱状纳米阵列SEM和EDX图,(c)和(d)磨损实验,(e)纳米柱不同粗细接触角对比,(f)复合涂料接触角对比。
小结
研究者通过对涂料结构的设计,开发出一种具有亲水聚合物基底和疏水纳米柱阵列的透明涂料,将亲水材料和疏水材料两种性能相反的材料完美结合在一起实现了涂料的抗污防雾的功能。该工作以题为“Wet-Style Superhydrophobic Antifogging Coatings for Optical Sensors”的文章发表在《Advanced Material》上。