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小科普——仿生涂料技术

仿生涂料技术是通过对生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用,为涂料工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。涂料工业向生物界寻找启发和进行模拟,以推动涂料工业的技术水平,是促进涂料科学朝微观、系统、智能、精细、洁净的方向发展以及提升涂料科学技术原始创新能力的重要发展方向。

仿生涂料技术应用开发中最著名的是涂料的荷叶仿生自清洁功能研究。20世纪70年代,德国波恩大学的植物学家巴特洛特在研究植物叶面时发现了荷叶效应,即很多植物叶面残留的污染物多达40%以上,而荷叶叶面的污染物残留比例皆小于5%。荷叶表面有微小蜡质颗粒,并覆盖着无数微米级突包,突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。这种特殊的纳米结构,使得荷叶表面不沾水,水珠沾起叶面上的灰尘高速滑落,实现自清洁功能。1999年,波恩大学的研究小组与ISPO公司合作,利用硅树脂的防水性能通过模仿荷叶表面微观结构生产了Lotusan涂料,该涂料使用5年以上,自清洁效果没有改变。

2000年代中国科学院化学研究所通过分子设计制备出聚合物的微米、纳米双重结构,利用聚合物在溶剂蒸发过程中自聚集、曲面张力和相分离的原理,在室温和大气条件下一步法直接成膜构筑类似荷叶的微纳米双重结构的聚合物表面,得到了超疏水和疏油性质的仿生涂层,水和油的接触角分别可高达166°和140°,水在涂层仿生表面的滚动角仅仅为3.4±2.0°,可以自由滚动,具有与荷叶表面相似的自清洁效应。这类技术应用于生产建筑涂料,服装面料,厨具面板等需要耐脏的涂料产品具有非常好的效果。

奥黛丽与阿克苏诺贝尔、荷兰瓦格宁根大学、英国剑桥大学从猪笼草的内壁特性获得的灵感开展合作,研发了一种概念型猪笼草仿生超滑涂料(不含杀虫剂),该涂料的概念设计目的是使表面非常光滑,以至于蚂蚁无法攀爬。蚂蚁是通过联合使用微型爪和粘性足来爬墙(它们还排出像胶水一样的液体)。因此,涂料设计思路是采用一种足够小的微粒,使蚂蚁的微型爪无法附着其上,同时这些微粒又能从涂料中脱离,并与蚂蚁的爪子黏在一起,从而使它们不能再粘别的东西,使其不再具有粘性,因此从墙壁上掉下来。研究表明,随着该试验性涂料的逐步优化,没有蚂蚁可以爬上涂覆了这种涂料的表面。哈佛大学的科学家也已经模仿猪笼草的内皮设计生产一种能够经济地用到各种物体,包括船舶船体的透明涂料。通过模拟猪笼草皮肤结构研制的涂料,即使是用小刀或刀片刮去涂层,几乎可以立即自愈,能够应对环境污染物污染和降解、达到自愈能力和损坏容限可以应用于极端温度和高压环境。

美国、法国、日本等国家的研究人员都非常重视对变色龙式伪装涂料的研究。变色龙为防止被其他动物伤害和便于猎食,它能随环境的变化而自动变色来隐蔽自己。这是因为变色龙多层皮肤的细胞内含有可以移动的绿色素,有时聚成一点,有时散开,这样便改变了体色。美国一位伪装专家断言,15年后变色龙式伪装将进入实用化阶段。欧洲这类研究的代表是法国。据悉法国国家科学研究中心和Arcueil技术中心根据法国武器装备总局的合同已研究了三大类变色龙涂料,统称“X-变色”涂料,包括光致变色、热致变色和电致变色三种。它们均属于可见光及红外范围,虽各具特性,但具有多种应用类型变色的共性。

按荷藕结构仿生设计的自分层梯度防腐蚀涂料喷涂后可自行分层,分层后的涂层表面疏水自清洁、抗紫外线,底层附着力强、耐腐蚀,中间层起稳定作用,得到高防腐的智能梯度仿生涂层。当PU/EP∶氟硅改性 PAA=1∶1时,接触角达到 96.0°,柔韧性为0.5 mm,耐冲击为50cm,附着力等级为1,失光率降至19%;乙酸丁酯(NBAC)∶正丁醇(NBA)=4∶6 时,涂膜分层情况良好,接触角达到 107.7°,浸泡水中48 h耐水性无变化,失光率降至17%。SEM-EDS、红外光谱分析表明,自分层涂膜上层为氟硅改性PAA、底层为PU/EP,中间存在过渡涂层,过渡层两种树脂中的─COOH、─OH、环氧基发生反应,使整个涂层更具稳定性。经由EIS分析,在3.5% NaCl溶液中浸泡40天后,腐蚀介质没有渗透涂膜到达基底金属界面。

阿克苏诺贝尔近期利用仿生技术推出一款随心移色涂料MoodPaint,该涂料含有一种改性热致液态晶,能根据附近人体的信息素作出反应,当晶体移动时,能吸收或反射不同波长的光波而呈现不同的涂层色彩。MoodPaint是一种光滑的蛋壳白色,可以在数小时内开始工作,只要有人在房间里,它就会无缝地改变颜色。长期以来,研究表明颜色可能会对人类的情绪和行为产生影响,柔和的蓝调可以舒缓医院的病人,充满活力的黄调可以刺激您在厨房的食欲,中性色可以使人在生活区域内感到舒适。MoodPaint可实现一种涂料带来多种色彩随心而动。

涂料仿生技术具有极大的潜力和机会,在自然界生物的启示下,涂料科学将会出现许多崭新的研究领域,将来会有更多高性能、高功能、高智能的涂料技术获得成功。

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