基本信息
- 项目名称：
- 超强疏水纳米挡风玻璃的研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 课题由荷叶仿生结构出发，研究纳米凹凸表面对材料疏水性的影响，探索出简便通用的纳米级挡风玻璃生产方法，将纳米仿生材料推向工程应用领域。该项目的切入点正是与人们日常生活密切相关的领域。 本作品采用多重覆膜的超强疏水性透明涂层制备方法，并自组装低表面能化合物，既保证了涂层的超强疏水性，与水接触角>150°，又保证了材料的高透明性，透光率>95%。该方法提高了涂层的机械强度，能满足实际应用的需要。该涂层通过化学键与基材牢固结合，抗化学腐蚀，耐高温；且涂层一经生成，便可终生使用。该技术可应用到织物、金属、陶瓷、建筑材料、医用材料等多种领域，为材料提供坚固持久的超疏水保护膜。该技术在不远的将来一定会走入千家万户，具有广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- “超强疏水纳米纳米挡风玻璃”是同学们由荷叶表面超疏水结构出发，采用纳米技术研制开发，与人们生活密切相关的产品。它是利用特殊化学手段，在玻璃表面形成一层厚度为纳米级的透明防护膜，使玻璃表面具有强烈的疏水特征，使水滴无法形成干扰人视线的不规则水膜，同时使落在玻璃表面的灰尘、油污、虫浆很容易被清洗掉，除去油渍、污垢，令玻璃更加光洁透亮。纳米超疏水涂层覆盖在玻璃表面，与玻璃牢固结合，完全不影响玻璃的光学性能，抗化学腐蚀，耐高温；而且十分耐磨，能承受强烈的摩擦而不脱落，一经生成，终生使用。 如将本技术用于汽车、飞机、航天器等的挡风玻璃，不仅可以减少空气中灰尘等污染物的污染，还能够使其在高湿度环境或雨天保持很高的相对透明度，雨水在玻璃表面迅速凝聚成水滴，并很快滚落，带走玻璃表面的污物，使玻璃表面保持清洁、大大改善人们在雨天夜间行驶过程中的视野，提高了驾驶的安全性。再如若将这种透明的超疏水性涂层用于高层建筑物的窗玻璃和幕墙，玻璃表面的污染物可以借助雨水的作用带走，减少高层建筑玻璃清洗的次数，避免高空作业清洗玻璃的危险。另外，这种自洁性涂层由于具有较低的表面自由能，能够阻止或减少水汽、冰雪以及其他污染物在固体表面的附着，在航空、航天等领域也具有重要的应用价值。 此外本作品的制作步骤简单、操作方便、稳定性高、成本低廉，特别适合工厂成批量加工生产和推广，可用于生产各种类型的玻璃。同时，项目组正在开发应用于金属、陶瓷、建筑材料、医用材料的超强疏水涂层，欢迎厂家共同合作。 现在，国内外并没有同样效果的产品出现，我们的作品正在申请实用新型专利和发明专利，保护好知识产权，为将来的市场推广奠定基础。
作品图片
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
- 作品设计发明目的：制作超强疏水纳米自清洁的玻璃，可用于汽车、高层建筑。并将该涂层技术应用于多种金属、陶瓷、建材，起到防锈、抗腐蚀作用。 基本思路：从荷叶表面纳米凹凸自清洁疏水的原理出发，采用温和且方便的浸润提拉法和自组装法，让材料表面依靠化学键均匀涂布纳米级粗糙涂层，凭借低表面能化合物自组装作用牢牢结合在涂层表面，将超强疏水自清洁和高透明集于一身。 创新点：在国际上首次采用多重覆膜技术制备出纳米凹凸，进而对材料表面进行改性。 技术关键：（1）材料表面的预处理；（2）原料的配比；（3）低表面能自组装工艺。 主要技术指标：超强疏水自清洁涂层，与水滴接触角大于140°，且疏水性永久不变；涂层硬度>4H，表面不易磨损；纳米凹凸与材料本身融为一体，水滴在材料表面不易浸润，并能保证材料的透光度>95%。
科学性、先进性
- 科学性： 先在玻璃或其他材料上经预处理产生羟基，用溶胶-凝胶法在基材上获得纳米级的凹凸；再用低表面能化合物进行自组装制备出超强疏水纳米涂层。该方法借助化学键牢固结合，并采用自组装工艺以致涂层均匀，致密，持久。 先进性： 与同类产品相比，自清洁：玻璃处理后表面水接触角高达150°，水滴在其表面几乎不能附着，达到自清洁的效果。耐高温：涂层本身与基材通过化学键连接，在200℃下结构保持不变。抗酸性：涂层表面为低表面能物质，不与各种强酸反应；高透光：玻璃处理后对可见光的透光度高达95%。技术进步：该方法温和，简便尤其适合现场施工，成本低廉。涂层一经制作，效果永久。在玻璃工业领域，首次制备出与基材融为一体的纳米凹凸透明涂层。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品的研究论文于2007年6月在第二届《中日化工年会》上以墙报的形式刊登出，获得中日同行的一致好评。 该研究成果于2008年10月，参加《首届国家大学生创新论坛》并作分会场报告，引起了全国高校同行的普遍关注。 该项目成果于2009年6月，获得第十届四川省“挑战杯”学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 工艺技术成熟，谋求合作推广阶段
技术转让方式
- 合作
作品可展示的形式
- 实物、产品、磁盘、现场演示、图片、录像、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
- 使用说明:本产品为A、B两种试剂，A试剂为纳米二氧化硅溶胶，B试剂为低表面能化合物。使用时在玻璃等基材表面涂布A试剂，并进行多重覆膜以生成纳米凹凸，然后放入B试剂中进行自组装形成超疏水表面。技术特点及优势：、在普通玻璃表面进行多重纳米凹凸覆膜，技术简单，效果明显，并且方法独特。 应用范围与推广前景：本产品对基材的要求很低，可以广泛应用于汽车挡风玻璃，高层建筑墙体，公交站牌等各种玻璃材料表面，并且能够广泛推广应用于金属，陶瓷等材料。 市场分析和经济效益预测：市场上现有同类产品的价格大概为20元/平米，并且一般使用寿命较短（一个月左右）。而如采用本产品的技术进行工业生产，其附加成本仅为1元/ 平米左右，且使用寿命长（永久使用）。如以市价的一半也就是10元/ 平米计算，销售100平米就将有90元的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 超疏水性透明涂层材料具有较低的表面自由能，因而具有许多独特的表面性能，如自洁性、防污性、疏水疏油性等，在很多领域具有潜在的应用价值。固体表面粗糙度对涂层的透明性和疏水性的影响是相互制约的。由于表面粗糙度的增大，增加了光线在涂层传播过程中的散射作用。一方面，涂层疏水性由于表面粗糙度的增大而增强；另一方面，涂层的透明性却随粗糙度的增大而降低。因此，调控制备工艺，使表面具有适宜的粗糙度，同时满足透明性和超疏水性的要求是制备超疏水性透明涂层的关键。 国际上对超疏水性透明涂层的研究始于20世纪50年代，到20世纪90年代末，随着表面科学技术的发展尤其是表面研究技术手段的提高，人们对超疏水性涂层的研究给予了更大的关注，其诱人的潜在的应用前景更激起人们更大的研究兴趣。在这一领域倾注了更大的精力和人力，大大促进了该领域研究的进展，基础理论研究和应用研究都取得了巨大的成就。 机械法和微粒子填充法，石蜡和聚四氟乙烯(PTFE)是人们最早接触的疏水性材料，以石蜡和PTFE为原料，采用机械方法使固体表面具有一定的粗糙度，或者采用PTFE粒子或其他粒子填充复合材料使表面具有一定的粗糙度，从而制得超疏水性的表面。由于采用这种方法制备的涂层是不透明的，因而限制了其应用范围。射频等离子刻蚀法，Ogawa等采用射频等离子体刻蚀的方法先对玻璃表面进行处理，使之具有一定的粗糙度，然后再采用硅烷对表面进行处理，得到透明的超疏水性玻璃。采用化学气相沉积(CVD)技术制备超疏水性透明涂层方面进行了大量的研究工作。他们通过控制气相压力和底材的温度，使沉积膜的表面获得粗糙度，以含有全氟烷基的硅烷作为气源，通过在基体表面沉积膜，制得透明的超疏水性薄膜。这种方法条件苛刻，操作不方便，而且成本很高。可升华物质微粒成孔法，Nakajima等在超疏水性透明涂层的研究方面也作了大量的研究工作，他们将可升华的粉状铝化合物加入铝溶胶中，在玻璃等底材表面成功制备一层具有一定粗糙度的氧化物涂层，涂层表面粗糙度可以通过控制溶胶体系中加入的可升华物质的粒晶的大小及其用量加以控制，再采用氧基硅烷对涂层进行处理，使表面具有低的表面自由能，从而具有超疏水性的性能。此种方法涂层硬度很差，应用较难。 目前，人们对超疏水性透明涂层应用的研究仍处于实验室阶段。将其应用于实际生产中，尚具有一定的难度。
