基本信息
- 项目名称：
- 具有自清洁功能的超疏水微纳米阶层的构筑
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是一种具有自清洁功能的环保小屋，即无需人工除尘的房屋。采用自主研制的具有分等级结构的超疏水材料作为房屋屋顶的外表面，通过表面硅烷化处理实现超疏水功能。具有免人工清洁、防沾湿、低耗能等功能。本作品在室外天线、太阳能面板防水、防冻方面；石油管道防止石油在管道壁粘滞；轮船的外壳防止为生物吸附、减阻等方面具有重要应用，同时这种超疏水表面可以提高材料的耐腐蚀性能。
- 详细介绍：
- 本项目的目的在于提供一种具有超疏水表面，这种超疏水表面应用到房屋的屋顶可以实现房屋表面的自清洁功能。这种超疏水表面是以轻质的镁合金为基底，利用适当的转化液进行处理，在基底表面构筑具有微-纳米分等级结构的Ni-Al水滑石转化膜,通过十七氟癸基三甲氧基硅烷(CF3(CF2)7CH2CH2Si(OCH3)3)对其表面修饰，得到超疏水表面，可以实现房屋表面的自清洁功能。结果表明，这种超疏水水滑石薄膜同时能对基体提供较好的腐蚀保护，扩大了该超疏水表面的应用范围，在室外天线防雷、船体防海洋生物附着、潜艇减阻等领域具有广阔应用前景。
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
- 本作品设计的目的和基本思路：镁合金具有密度低、比强度高和硬度高等优良的物理及机械性能，可以作为一些轻量化工程应用的理想结构材料。但镁合金极易被腐蚀，使其应用环境受到限制，从而制约了镁合金的广泛推广。作品的目的在于构筑具有微纳米阶层的镁合金表面，再通过降低表面自由能，实现在镁合金表面构筑超疏水自清洁表面，从而达到防腐蚀的目的。基本思路是选用轻质的镁合金作为基底，通过在基底表面原位构筑具有微-纳米分等级结构的Ni-Al水滑石粗糙表面,再利用十七氟癸基三甲氧基硅烷(CF3(CF2)7CH2CH2Si(OCH3)3)对其表面修饰，赋予表面以超疏水性，从而实现镁合金表面的自清洁功能。 创新点：利用镁合金表面的镁元素作为形成水滑石二维层板的镁源，通过水热合成法实现具有分等级结构水滑石在合金表面的原位构筑，通过低表面能物质的修饰，赋予表面以超疏水性。 技术关键：具有较好结合力的微纳米分等级结构原位构筑以及表面能的降低。主要技术指标：表面为微纳米分等级结构：XRD谱线、红外光谱谱线、SEM-EDS、腐蚀极化曲线；表面具有超疏水性能：接触角。
科学性、先进性
- 传统超疏水表面制备的方法有模板法、溶胶-凝胶法、电化学方法、刻蚀法、水热合成法等方法，均存在工艺复杂、成本高、实验要求条件严格等缺点。本项目从仿生学中得到启发，即自然界中的某些植物如荷叶表面，具有疏水性质和自清洁功能。荷叶效应是由粗糙表面上双层结构的微凸体及其表面蜡状物共同作用的结果,通过在合金表面原位构筑微-纳米分等级结构的Ni-Al水滑石粗超表面，赋予其超疏水性，实现镁合金表面的自清洁功能。 与传统的方法比较，本方法镁合金表面防腐方法比较，用超疏水性来达到防腐蚀的方法，对环境以及人体无害，经济，工艺简单，操作条件无严格要求。 [1]J.E. Gray, B. Luan. Protective coatings on magnesium and its alloys — a critical review [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2002, 336: 88–113.
获奖情况及鉴定结果
- 某大学2011年5月“五四杯”一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利权技术转让
作品可展示的形式
- 实物、图片、现场演示
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
- 该作品可以实现房屋的免人工清洁，节省了劳动力和能源。该作品同样适用于一下其它领域，如：该超疏水表面材料用在室外天线、太阳能面板、光电转换器上可以防止雪的粘附；超疏水表面用于石油管道的运输过程中，可以防止石油在管道壁粘滞，从而减少运输过程中的损耗及能量消耗，并防止管道堵塞；超疏水材料涂在轮船的外壳、燃料储备箱上，可以达到防污、防腐的效果;用于水中运输工具，可以减少水的阻力，提高行驶速度。 经济效益分析：由实验用各种化学原料的成本及用量，可计算每平方米镁合金板增加成本约2元，成本增加不大。
同类课题研究水平概述
- 自从Kao研究组在20世纪90年代中期首次制备出了人造的超疏水性表面，有许多制备超疏水性表面的巧妙的方法被报道了。除了防水的性质，其它的一些性质如透明度和颜色、各向异性、可逆性、灵活性和透气性也被纳入超疏水表面。 国内的中科院化学研究所的江雷研究组在超疏水领域做了大量的研究工作：他们通过向自然学习，研究多种生物体表面特殊浸润性，揭示了生物体表面超疏水性的形成机理，为相关仿生界面及智能材料的设计制备提供依据；仿生制备超疏水界面材料，并实现多功能化组合的超疏水表面，又同时将不同种类的特殊浸润性如：超疏油/超疏水（超双疏）、超亲油/超亲水（超双亲）、超疏油/超亲水、超疏水/超亲油组合，建立仿生超疏水界面材料体系；通过系统研究界面材料结构和特性规律，提出了“纳米界面材料的二元协同效应”，创造性地将仿生微纳米复合结构与外场响应性分子设计相结合，实现了在单一或多重外场控制下材料表面浸润性的可逆变化。 国外也有很多课题组在超疏水表面的制备上做了大量的研究工作。日本产业技术综合研究所石崎孝弘等人，通过将镁合金浸泡在超纯水中而不添加其他试剂在一定的条件下进行水热反应，然后在经过低表面能的物质进行修饰，得到了超疏水性表面，并且他们还研究了所制备的超疏水镁合金的耐蚀性能。Lee等人，制造出垂直排列的聚乙烯纤维，通过以阳极化的多孔氧化铝为模板在高温及高压下使聚乙烯进入到模板氧化铝的孔内得到的。随之表面聚乙烯纳米纤维的比例增加，纳米纤维不能够垂直排列而是形成扭曲的束状在表面形成三维尺度的粗糙度。Feng等人，通过两步溶液合成法制备出的氧化锌纳米棒的扫描电子显微镜的图。这种呈纳米棒状的氧化锌薄膜呈现超疏水性因为表面的粗糙度和薄膜表面纳米棒的（001）平面的低表面能通过X射线衍射得到的。有趣的是，当用紫外线照射该表面时，该表面会由超疏水性转变成超亲水性，这是因为当紫外线照射到该表面时，会在该表面形成电子空穴对，导致羟基吸附到氧化锌的表面。将被紫外线照射过的薄膜在黑暗的地方放置7天之后，薄膜又回具有超疏水性。类似的，他们制备出了具有超疏水和超亲水可转换的二氧化钛纳米棒薄膜。
