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参赛作品资料

序号：

编码：

湖北省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛

参赛作品

作品名称：

“新视野”汽车玻璃贴膜

类别：

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

□科技发明制作A类

☑科技发明制作B类

产

品

说

明

书

一、概述

汽车贴膜（Autofoil）就是在车辆前后风挡玻璃、侧窗玻璃以及天窗上贴上一层薄膜状物体，它是利用特殊化学手段，在汽车玻璃表面镀上一层厚度只有几个到十几个纳米的看不见的防护膜，是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，它弥补了玻璃表面的细微裂纹的缺陷，能够除去油膜、污垢，令玻璃更加光洁透亮。

效果和荷叶表面相似，只有雨珠，没有雨膜，风吹则动，很容易脱离玻璃表面，极大提高行车安全性。

侧挡和后视镜在下雨时仅有少量雨滴粘附，可以有比较清楚的视野。

同时它可以阻挡紫外线、阻隔部分热量以及防止玻璃突然爆裂导致的伤人等情况发生，同时根据太阳膜的单向透视性能，达到保护个人隐私的目的。

此外，它也可以减少车内物品以及人员因紫外线照射造成的损伤，在某些层面达到节省燃油消耗的功效。

二、荷叶效应的自清洁现象

植物学家在对植物研究的例行工作中发现：

只有那些表面很光滑的叶子才需要清洗，而其它那些表面在显微镜下看起来很粗糙的叶子反而是干净的（如荷叶疏水自洁性图I.1）。

对他们来说更值得注意的是：

这些具有自洁净功能的叶子甚至可以完全抵制水，很清楚地表明自清洁效果与可润湿性密切关联。

在显微镜观察中发现具有拒水保洁功能的植物表面呈微凸起状，这些微凸起大部分是由于表层的蜡质晶体所引起的，它起到了不相同的作用，引起有效的憎水性[3]。

进一步说，污垢的粘附就减少了。

基于表面光滑和粗糙的防水植物的显微镜观察的数据结果显示了许多生物表面的自清洁机理关键在于表面粗糙度，降低污垢吸附和憎水性的相互依赖关系，这就是“荷叶效应”。

图1.1荷叶疏水自清洁性能

3、自清洁原理

荷叶效应的表面物理源于固体表面的液体行为，是粗糙的生物表面、颗粒和水之间的相互作用结果。

中科院江雷等[4]研究发现荷叶表面乳突（平均直径5~9µm）上还存在纳米结构[（124.3±3.2）nm]，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是产生超疏水和自清洁效应的根本原因。

经过电子显微镜分析，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，此粗糙度为微米、纳米级的细微凸状物表面微结构与荷叶表面所存在的蜡质，使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等与叶面接触时，只能与叶面上的细微凸状物形成点接触（如图1.2[1]、图1.3）。

液滴在自身的表面张力作用下形成球状水滴，液滴在滚动中吸附灰尘，表面的灰尘随着液滴滚出叶面，从而保持了叶面的洁净，实现了莲花纳米表面“自洁净”的效果。

图1.2荷叶的微观结构图1.3荷叶的表面自洁性

根据表面能与表面张力理论，以空气为环境媒介的固体与水的润湿性，依赖于他们表面张力的比值（水/空气（

），水/固（

）和固/空（

）），这些表面张力的比值决定了固体表面上的水滴的接触角

，并且它们之间的关系可由杨氏方程

（1.1）

来描述。

0°接触角意味着完全亲水，而180°接触角意味着完全憎水。

由杨氏方程可以看出，

较大的固体更容易润湿，相比之下在那些具有较低

的固体表面，更倾向于形成高接触角的球状水滴。

由上述可以得出：

在固体表面的水滴，对固体表面有一定程度润湿。

润湿度取决于表面扩张所需的最低能量和由于吸附而获得的能量之间的平衡。

当水滴与固体表面接触时，空气围绕着表面蜡质晶体，扩大了水与空气的接触面积，而将固/水接触面降至最小。

在这样的表面上，水通过固体表面吸附只能获得非常小的能量来补偿表面扩张，扩张不易发生，水形成一个球状的液滴，水滴于表层的接触角几乎取决于水的表面张力。

沉积在蜡质表面的微粒在大多数包含比碳氢化合物的蜡质成分更容易润湿的物质。

另外，微粒比固体表面的微结构的尺寸要大，仅吸附在表面微结构的顶端，使微粒与固体表面的接触面积减至最小。

当水珠从叶子表面滚落，由于微粒与固体表面之间的接触面积很小，通过固体表面吸附获得的能量，不能克服微粒和水珠之间的吸附，使微粒从水滴的表面转移。

微粒被牢牢地控制在水滴上，随着水滴从叶面上滑落，达到自清洁的效果。

合适的表面粗糙度对于构建疏水性自清洁表面非常重要。

根据理论，浸润性由固体表面的化学组成和微观几何结构共同组成，一定的表面微观粗糙度不仅可以增大表面静态接触角，进一步增加表面疏水性，而且更重要的是可以赋予疏水性表面较小的滚动角，从而改变水滴在疏水性表面的动态过程。

因此，荷叶效应的汽车膜，必须同时具备3方面的特性[5]：

具有低表面能的疏水性表面；合适的表面粗糙度；低滑动角。

通过两种方法可实现荷叶效应，一种就是加入超强疏水剂如氟硅类表面活性剂，使汽车膜表面具有超低表面能，灰尘不易黏附；另外一种就是模拟荷叶表面的凹凸微观结构设计汽车膜表面，降低污染物与汽车膜的接触面积，使污染物不能黏附在汽车膜表面，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。

四、自清洁技术的应用研究

科学家根据荷叶表面的自清洁功能进行无限想象与创意。

例如：

把透明疏水、疏油的纳米材料颗粒作成涂料涂刷在建筑物表面，大楼不会被空气中的油污弄脏，镀在窗户玻璃表面上，玻璃也如同荷叶一般自洁而永远透明，或将这种纳米颗粒放到纤维中，做成防尘的衣物，也许可省去不少洗衣的麻烦。

在所有这些仿生技术中，莲花的憎水原理最为典型。

利用荷叶疏水性能的研究结果[6~8]，W.Barthlott教授对涂层表面结构进行设计，成功研制了具有一种凸凹微结构的疏水保洁性能的仿生有机硅外墙乳胶漆和具有自洁功能的瓦。

从上述自清洁的研究，自清洁功能主要是靠薄层的亲水、疏水性，特别是涂层的疏水性来的实现。

因此具有很低的表面张力和很低的表面能材料得到广泛的应用。

基于憎水特性的自清洁涂料又分为以下几种：

（1）有机氟低表面能材料

（2）有机硅材料

（3）氟硅材料

（4）荷叶效果助剂

主要根据荷叶效应原理来实现汽车膜的自清洁效果。

有机硅具有很大的疏水性，选择有机硅作为成膜树脂或添加剂可以改善涂层的疏水性。

根据有机硅在涂料中的含量及作用不同，分别研制了水性自清洁乳胶材料、有机硅材料和有机硅改性氟碳树脂材料三种具有自清洁特性的疏水材料，研究了有机硅含量与材料疏水性之间的关系，微观形貌观测表明，薄膜表面具有很强的疏水性和粗糙度，与荷叶表面很相似，是典型的荷叶效应的结果，使薄膜层具有良好的自清洁功能。

有机硅树脂原理及应用：

1.1有机硅疏水性能的研究

有机硅化合物是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。

其中，以硅氧键（-Si-O-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。

有机硅的主链十分柔顺，这种优异的柔顺性起因于基本的几何分子构形。

由于其分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多，因此，比同分子量的碳氢化合物粘度低，表面张力弱，表面能小，成膜能力强。

这种低表面张力和低表面能是它获得多方面应用的主要原因：

疏水、消泡、泡沫稳定、防粘、润滑、上光等各项优异性能。

有机硅材料具有独特的结构：

（1）Si原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来；

（2）C-H无极性，使分子间相互作用力十分微弱；

（3）Si-O键长较长，Si-O-Si键键角大。

（4）Si-O键是具有50％离子键特征的共价键（共价键具有方向性，离子键无方向性）。

1.2有机硅在汽车膜中的应用

有机硅分类为硅油、有机硅树脂、硅烷偶联剂和有机硅橡胶，但应用于汽车膜中的主要是硅油和有机硅树脂。

硅油是一种不同聚合度链状结构的聚有机硅氧烷。

硅油具有很好的疏水性，常常作为一种疏水剂添加。

硅树脂是高度交联的网状结构的聚有机硅氧烷，通常是用几种硅烷单体的混合物，在有机溶剂如甲苯存在下，在较低温度下加水分解，水解物经水洗除去酸，进一步缩聚，最后形成高度交联的立体网络结构。

硅树脂的主要应用有：

清漆、绝缘漆、保护涂料、封装材料、接合涂料、粘合剂、砖石防水剂等。

这两种有机硅适用于涂料体系是由于他们具有独特的分子结构：

Si-O-Si键具有极性键性能，可以与无机成分如颜料、填料很好地包裹、键合。

在微观结构上起到了增强作用。

同时有机基团的存在不仅使其具备了非极性性能，与有机聚合物能够相似相容，更赋予了膜孔隙之间良好的憎水性，保持很高的透气性。

1.2.1有机硅油汽车膜

硅油的品种很多，大致分为普通硅油和改性硅油两大类。

其中普通硅油又分为非官能性硅油和官能性硅油，改性硅油又分为共聚硅油、碳官能性硅油和主链改性硅油等。

过去在抛光砖的防污处理方面曾尝试用地板蜡和有机涂层，但效果不尽人意。

打蜡虽能防污，但蜡的保持时间短，处理工艺麻烦。

而涂覆有机涂层又影响砖面的光泽度。

为解决抛光砖的防污问题，李勇民等人用硅油制成陶瓷抛光砖防污剂。

该防污剂对抛光砖坯体的微孔及表面具有很好的渗透性和结合力；同时，涂层的透明度高，涂覆后对砖的颜色和光泽度无不良影响；对水和多种有机溶剂稳定性好[9]。

Tabuchi等人用通式为R3SiX2（R=芳基；X=阴离子）的化合物与硅油混合物作渔具及其相关器械的防污剂，可延长防污损性，阻止海洋生物的生长。

用增强型填料与非活性硅油在高剪切条件下混合，再与1种以上粘度不小于6000mPa·s的活性聚硅氧烷混合，可制得缩合型有机硅防污材料[13]。

将乙烯基二甲基封端的聚二甲基硅氧烷与聚甲基氢硅氧烷和铂硅氧烷催化剂混合，可制成飞机用耐化学武器的室温固化型聚硅氧炕材料。

该材料覆在铝材上时，可在短时间内室温固化[14]。

1.2.2有机硅树脂材料

以有机硅树脂为成膜物质制成的材料主要有耐热耐候有机硅防腐材料、耐搔抓的透明有机硅材料、脱模和防潮材料及耐辐射材料等品种。

材料用有机硅树脂一般以甲基三氯硅烷（CH3SiCl3）、二甲基二氯硅烷（（CH3）2SiCI2）、苯基三氯硅烷（C6H5SiCl3）、二苯基二氯硅烷（（C6H3）2SiCl2）及甲基苯基二氯硅烷（CH3C6H5SiCl2）等为原料进行水解缩聚而制得。

晨光化工研究院采用粘度为20~40mPa·s的羟基硅油、二甲基二氯硅烷及甲基三乙氧基硅烷为原料，控制nR/nSi等于1.3~1.4，（CH3）2SiCl2与羟基硅油的质量比为70：

30，并采用滴加水的方式于500℃共水解1h得到具有良好硬度和弹性的甲基硅树脂，可用于制备金属膜电阻器的阻燃材料。

中科院化学所以CH3SiCl3为主要原料，以丙酮和二甲苯为溶剂，合成了摩尔质量分布窄的可溶性梯形聚甲基硅树脂，采用该树脂与一定量的铝粉、室温硫化硅橡胶配制成的高温疏水、防腐材料，经250℃老化1000h其柔韧性、耐油性和耐腐蚀性等均良好。

合肥工业大学用四官能团的硅酸醋与三官能团的烷基硅氧烷，通过严格控制共水解反应，制得兼有硅酸盐和有机硅聚合物特性的基料，该基料与颜填料及其它辅助材料按一定比例配合可制成有机硅耐热材料。

但硅树脂由于附着力低、耐有机溶剂性能差，而且固化温度高、固化时间长（如在225℃需固化Ih左右），不便于大面积施工，所以直接用作材料的成膜物质受到限制。

为充分发挥硅树脂的优点，同时克服它的缺点，可用有机硅树脂对有机树脂进行改性。

因此，有机硅改性醇酸树脂、有机硅改性聚氨酯树脂、有机硅改性丙烯酸树脂[15]、有机硅改性环氧树脂[16]等涂料在继承了其他树脂的性能又增强了疏水性，满足了更高要求的需要。

五、不沾水汽车膜结构图

贴膜结构具体如图

1、带色PET安全基层：

由高强度、高透明PET聚酯与颜料熔融挤出双向拉伸制得，由于颜料夹在PET膜里面，可防止氧化变色，寿命长达8年；

2、金属隔热层：

在PET膜上通过真空蒸镀或真空磁控溅射金属铝、银、镍等对红外线有较高反射率的纳米级金属层；

3、复合胶粘剂：

由耐候性良好高透明的聚氨酯胶粘剂组成；

4、UV吸收层：

由特种UV吸收剂构成，可阻隔99%的紫外线；

5、透明PET安全基层：

由高强度、高透明PET聚酯膜组成，目的是把金属层夹在中间，防止金属氧化，延长金属膜的寿命；

6、安装胶粘剂：

由耐候性良好高透明的丙烯酸酯胶粘剂组成；

7、高透明PET离型膜。

8、荷叶效应不沾水有机硅薄膜。

我们所研制的汽车贴膜是在普通贴膜的最外层新增了具有荷叶效应的不沾水高分子层，该层具有粗糙的由蜡质晶体构成的生物表面，使得灰尘、雨水等与叶面接触时，只能与叶面上的细微凸状物形成点接触，而且具有很强的疏水性，表现出明显的自洁功能。

有机硅具有很好的疏水性能，其表面能低，表面张力小，与水的接触角大。

用此荷叶效应原理，于是用有机硅等材料研制的汽车薄膜贴于已有的汽车膜最外表面，这样不仅可以起到汽车玻璃自清洁功能的作用，最为关键的是在下雨天的时候，雨水不会沾于玻璃表面让驾驶者看不清前方而导致交通事故，大大增加了汽车的安全性能。

使用前后对比

六、试用范围

根据汽车型号和汽车玻璃的大小可生产大小不一样的不沾水汽车薄膜，也可制成长形卷膜，用于其它不规则而有需求的物体上面。

七、汽车膜的使用方法

【干贴法】汽车、摩托车贴或小型贴适用

【干贴法步骤】使用工具：

干净抹布、刮片、信用卡

1、清洁车身的粘贴位置，有条件的可以使用无纤维脱落的布蘸以50%的酒精或异丙醇或丙酮加以擦洗，也可用肥皂水；经溶剂清洗的表面需待溶剂彻底挥发后方可用粘贴

2、一般情况下，慢慢的一边贴、一边用工具刮平、一边揭底纸。

3、如果车贴长宽都小于10厘米，可以把贴纸全部撕下再贴。

但必须小心，不要发生意外粘连或掉下地面粘起灰尘。

4、用干净抹布或刮片[如电话卡或信用卡]在膜上反复用力斜擦或刮几下；直至车贴内没有汽泡。

【湿贴法】汽车车贴或大型车贴适用[建议双人操作]

【湿贴法步骤】使用工具：

喷壶、干净抹布、刮板、美工刀、风筒

1、将需粘贴表面清洗干净在准备粘贴纸前请将玻璃水均匀喷在需粘贴表面（清洁车身后，在将要贴的车身部位上用喷壶喷水）——主要是用来降低贴纸粘度、方便调整位置。

2、确定好需要贴的位置后，连同车贴从右至左向[或从上向下方]揭起一边并用抹布将其压贴在车表上，然后一边贴、一边用抹布压平、一边揭底纸。

3、遇到门把手或防撞条要根据情况把材料割开并包入或载掉。

4、适时调整，将图形大体位置确定无误后，用刮板反复刮去水和气泡，使用刮板时就由右向左斜刮。

5、遇车门和车缝处用美工刀均分划开，向内包贴。

6、尽量让车贴里的水分干透，有条件可以用风筒适度加热烘干。

特别提示：

每一件产品都有它不够完美的地方，我们致力于做到最好，但是由于材料以及技术等原因的限制，我们研制的汽车膜质软易刮伤，故在开车时候应尽量避免与树枝等较硬的物品接触，停车的位置也要稍加注意，以免给您的车带来视觉上的伤害。