抗污防霧透明涂料——吸水材料和疏水材料的完美結合！

WaterOff

2022-08-10 09:14:36

從人們佩帶的眼鏡到攝像機鏡頭再到汽車用的擋風玻璃，透明材料已經應用于生活的方方面面。而這些廣泛應用于生活的透明材料始終面臨著一個問題，就是容易起霧。比如在冬天，戴著眼鏡從室外進入室內，在眼鏡上總會起一層霧遮擋視線，這一問題曾經困擾很多人。

現如今，已經有很多透明材料防霧策略，最常用的就是在透明鏡片表面修飾上親水涂層，使得凝結在透明涂層上的水形成水膜而不是水珠，因此起到防霧的作用。但是經過親水處理的鏡片因為表面能大，而導致防污性能下降。為了保證透明材料防霧同時有耐污，也有科研工作者研通過在親水涂層上覆蓋上一層疏水的納米材料，形成一種非均相的透明涂層。在有水汽將在透明涂層上凝結時，水分子可以透過疏水納米層被親水涂層吸收，以此來保證表面不起霧，而疏水納米層則可以很好地起到防污地功效。這種方法雖然效果很好，但是一但親水涂層吸水達到飽和，則會導致防霧功能失效。

覆蓋納米疏水材料與親水涂料示意圖

近日，浦項科技大學地Hyomin Lee團隊開發出一種新的吸水型超疏水復合涂料。這種涂料主要由親水聚合物復合材料基底和疏水聚合物材料柱狀陣列組成。涂料的基底材料利用的是殼聚糖和羧甲基纖維素，這兩種材料之間有較強的靜電吸引，使得基底材料結合緊密。而殼聚糖與羧甲基纖維素有很好的親水性，可以作為涂料的吸水材料。在吸水聚合物涂層上在涂布一層二氧化硅納米粒子。最后，再在二氧化硅納米粒子層上接上柱狀含氟聚醚，以達到疏水抗污的目的。這種具有納米結構的涂料透明、可以實現防霧抗污的功能。

新型涂料疏水和防霧功能示意圖。

聚合物/納米二氧化硅復合涂料基底

對于吸水的聚合物基底，厚度越厚則防霧性能越好。但是聚合物基底越厚則會導致透光率越差，因此為平衡透明性和防霧性能，將聚合物基底厚度控制在1793 nm。由于二氧化硅納米粒子層的折射率低于聚合物涂層的折射率，因此在聚合物基底上涂布一層二氧化硅納米粒子厚可以有效提升聚合物涂層的抗反射率。得到的復合涂料在400 nm到700 nm波長范圍的光線透過率可以達到94.8%，比普通玻璃的透光率更高。將涂布有聚合物/納米二氧化硅復合涂料的玻璃與普通玻璃進行了抗霧性能對比，普通玻璃上已經形成了霧狀水珠使得實現被遮擋，而涂布有聚合物/納米二氧化硅復合涂料的玻璃在相同條件下沒有起霧。證明了該涂料優異的防霧性能和透光性。

（c）聚合物/納米二氧化硅涂料截面SEM圖，（d）不同材料透光性對比，（e）和（f）不同材料防霧性能對比。

柱狀含氟聚醚材料陣列

作者利用模板法在聚合物/納米二氧化硅涂層表面接上了含氟聚醚材料陣列，使得形成了疏水表面。納米二氧化硅層保證了含氟聚醚納米柱子與基底涂料的緊密結合，而分布的含氟材料納米陣列使得復合涂料更加疏水，而在水蒸氣在涂料表面凝結的過程中，而柱狀納米陣列則不會阻止基底材料對水汽的吸收。由此，在保證疏水表面的同時，基底材料可以順利吸收水汽保證涂料表面無水珠凝結。由于含氟材料的自潤滑作用，柱狀陣列還可以起到防刮的作用，在經過砂紙打磨厚，沒有接柱狀含氟聚醚材料陣列的聚合物/二氧化硅涂層出現明顯的刮痕。

（a）柱狀納米陣列制作過程，（b）柱狀納米陣列SEM和EDX圖，（c）和（d）磨損實驗，（e）納米柱不同粗細接觸角對比，（f）復合涂料接觸角對比。

小結

研究者通過對涂料結構的設計，開發出一種具有親水聚合物基底和疏水納米柱陣列的透明涂料，將親水材料和疏水材料兩種性能相反的材料完美結合在一起實現了涂料的抗污防霧的功能。該工作以題為“Wet-Style Superhydrophobic Antifogging Coatings for Optical Sensors”的文章發表在《Advanced Material》上。