膜結構與仿荷葉效應

2020-12-23 燁興膜結構

予獨愛蓮之出淤泥而不染,濯清漣而不妖,中通外直,不蔓不枝,香遠益清,亭亭淨植,可遠觀而不可褻玩焉。

——周敦頤《愛蓮說》

炎炎夏日,最是那一池碧水夏荷讓人們流連忘返,沁人心脾。從古至今,荷花就備受世人的喜愛,也留下了許多膾炙人口的著名詩篇,當中「出淤泥而不染,濯清漣而不妖」的詩句主要說的就是荷葉。

眾所周知,水滴落在荷葉上會形成近似圓球形的白色透明水珠滾來滾去而不浸潤在荷葉上,「大珠小珠落玉盤」,別有一番景致。那麼荷葉不沾水的奧秘是什麼呢?

這與荷葉表面的特殊微觀(納米)結構有密切的關係。在荷葉的上表面布滿非常多微小的乳突,這些大大小小的乳突在蓮葉表面上猶如一個挨一個隆起的「小山包」,「小山包」之間的凹陷部分充滿空氣,這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄的且結構只有納米級厚的空氣層。

空氣層使水滴與荷葉表面的接觸面積非常小,不易沾附,水珠在滾動中吸附灰塵,並滾出葉面,從而達到清潔葉面的效果。這種自潔葉面的現象被稱作「荷葉效應」。當今,仿生荷葉的技術已經滲透到了紡織、化工等諸多社會行業,很多企業開發了一些仿荷葉的納米材料和產品。

膜結構建築不論是用於永久性建築還是臨時建築,都要求使用的膜材料具有自潔性,能保持建築美觀。因此科研人員模仿荷葉效應,將納米微粒與疏水性聚合物(聚乙烯、聚丙烯、石蠟等)製成溶膠,噴塗於膜材表面。

例如ETFE膜材,由於ETFE具有斥水、斥油、非黏著性等特性,所以不容易附著髒物,而且ETFE的表面摩擦力很小,附著的髒物會很快被雨水自動衝掉。當然根據使用的場地及結構形狀,有時也會出現變髒現象,但總體上說,ETFE膜材料具有較強的自潔性,一般使用多年仍可保持乾淨。

又比如,目前市場上大部分膜材的塗層採用的是PVC樹脂,由於隨著使用期長,PVC樹脂中的塑性劑會移到膜材料的表面而黏著空氣及雨水中的髒物使膜面變髒,為了改善PVC的自潔性,研究人員在PVC的表面塗敷丙烯酸樹脂或含氟樹脂(如PVDF),或者在PVC表面粘貼含氟薄膜(如PVF)。這些方法都能改善PVC膜材料的自潔性,特別是在表面粘貼PVF薄膜(氟化乙烯)能大大改善膜材料的自潔性及抗老化性。

因此,仿荷葉效應的膜結構材料具有優異的拒水性和自清潔性。即使在傾盆大雨中,也不會形成水膜而降低透溼性,水珠還會連同表面的塵埃和汙垢一起滾落,從而使得膜材表面保持乾淨與乾燥。

以上就是膜結構與仿荷葉效應的簡單介紹,相信未來會有越來越多蘊含了高新技術的膜材出現在我們的視線裡,膜結構建築的發展也會越來越好!不忘初心,讓我們一起砥礪前行!

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