（原）材料视角 | 出淤泥而不染

初原载于 工大材料汇    2019-12-19未经允许禁止转载

相信很多“视鞋如命”之人都有一个烦恼，那就是生怕自己的爱鞋被溅上什么汤水或者被踩脏。今天给大家安利一款终极防水涂料，能使你心爱的衣服和球鞋做到出淤泥而不染。

这款神奇的终极防水涂料名叫Ultra Ever Dry，是美国Ultra Tech公司生产制作的。

下面就来看看他到底有多强大：

防水

纸吸水，将Ultra Ever Dry涂抹在一张纸上，然后倒上蓝墨水，我们可以看到蓝墨水会在纸上不停地翻滚形成水珠，而白纸一点也没有受影响，白纸上没有任何的墨水污渍

将纸巾完全浸入水中，也不会湿透半点。

防泥

将Ultra Ever Dry涂在爱鞋的表面上，去泥地里面愉快的玩耍也没有一点问题

防油

别看它这么厉害，其实Ultra Ever Dry只是一层纳米涂料，其如此强大的“屏蔽”能力是源于材料人对荷叶自洁能力的思考，并称之为荷叶效应。

荷叶效应

荷叶表面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的结构。在超高显微镜下可以清晰看到，在荷叶叶面上布满着一个个隆起的“小山丘兴隆它上面长满绒毛。

因此，在“山丘”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层只有纳米级厚的空气层。这使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山丘”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚落荷叶面，这就是“荷叶效应”能自洁叶面的奥妙所在。

荷叶效应的涂膜，必须注意要同时具备三方面的特性:  

⑴具有低表面能的疏水性表面； 

⑵合适的表面粗糙度； 

⑶低滚动角。      

通过2种方法可实现荷叶效应：一种是加入超强疏水剂，如氟硅类表面活性剂，使涂膜表面具有超低表面能，灰尘不易黏附；另外一种是模拟荷叶表面的凹凸微观结构设计涂膜表面，降低污染物与涂膜的接触面积，使污染物不能黏附在涂膜表面，而只能松散地堆积在表面的凹凸处，从而容易被雨水冲刷干净。

如果从水的角度来分析超疏水疏油原理，纸巾之所以会被浸湿，是因为水被纸巾材料表面所吸附。当材料分子与水分子之间的相互作用的内聚力大于水分子之间的内聚力时，水分子能很快在材料表面铺散开来。此时，在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与材料表面所成的夹角(称润湿角)θ≤90°，材料呈现亲水性。若θ>90°，材料呈现疏水性。

荷叶效应的应用

纳米涂料不仅仅用来挡挡泥水和油水，它在其他领域也发挥了极大的创新作用。

（1）提高电池效率及散热率。超疏水材料用于电池系统的电极隔膜，可将电解液和活性电极材料分隔开，防止副反应发生。超疏水涂层可以利用其疏水性提高散热效率，促进液体蒸气在设备表面加速冷凝，散热效率要远远高于薄膜冷却法。同时，冷凝液形成的过程带走热量，形成的液体又用于新的散热循环。  

（2）新型水上机器人。水黾具有独特的漂浮机制和高效的划水方式，在水面环境中能够低耗、低噪、高效、灵活地漂浮、划行和跳跃。水黾腿表面的微观多级结构具有超疏水性，可以支撑水黾在水面自由活动。近年来，越来越多的学者开始研究水黾独特的漂浮机制和高效的划水方式。

（3）定向集水。合理利用材料的超疏水性以及超亲水性，在指定区域赋予材料不同的润湿特性，可以用于在沙漠等干旱环境下作战时的饮用水收集，解决人员生存等问题。2016年6月，美国西北太平洋国家实验室研制出可实现水分逆向流动的碳纳米棒材料。这种材料可在低湿度空气环境中，将水蒸气转变成液态水并吸附在表面；在高湿度空气环境中，材料具有疏水性，且湿度越高，材料表面水滴蒸发越快。这种材料可以用在沙漠中取水；如果用在服装中，可以在高湿度环境中保持干燥舒爽。  

（4）油水分离。在被油污染的水域获取水源，需要使用快速、高效的油水分离装置。近年来，材料表面的润湿性成为解决这个困难的关键，一旦材料展现出对油和水不同的润湿性，如超疏水-超亲油性、超亲水-超疏油性，则这种材料可用于实现油水分离。此外，油水分离器还可用于解决海洋石油泄漏等环境问题。

但是

俗话说得好：“金无赤金，人无完人”。Ultra Ever Dry虽好，但有两个缺点：

一是太贵了，普通防水卷材每平米不到30元，而它每平米300元起，价格高出了九倍！

二来就是有毒，使用过程中需要严格的防护措施。

本期问题：

 1：什么是荷叶效应

答案：荷叶表面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的结构，雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山丘”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚落荷叶面。

2：如果将来研发了无毒无害的纳米防水涂料，你会拿它去干什么有趣的事情呢？小编先来，我会用涂料将水珠封锁在一层薄塑料中，制成“乒乓水球”，拿去玩耍。

精选留言1：

我会将涂料涂在自行车上，这样既不用担心车被淋湿，而且清洁也很容易

---------Вперед, товарищи

精选留言2：

将涂料涂在衣物表面，可以在水中达到减阻的效果，提高行进速度并减少能耗。   

                                                                                                                                                                                   ---------凳子

参考文献：

1、纳米防水网--国外超疏水材料技术发展及军事应用前景

2、知网--具有纳米微观特征的防水涂料及其制备方法

3、希森美克--浅谈希森美克疏水疏油及超亲水纳米涂层自洁原理！

本文作者：张骜

时任审阅：于世龙  刘孟茜

时任编辑：许心雨

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