表面防沾黏技術文章分享

一般生活上最容易會接觸到使用防沾黏技術的物品就是鐵氟龍塗佈的水壺、不沾鍋、內鍋、蛋糕模等等，
在工業上應用包括有模具、特殊流體用管路等，利用防沾黏的技術以便於脫模跟降低流體阻力，
其他在衛浴產品、建築外觀、船舶外殼上的表面也會使用不同的防沾黏技術來降低灰塵、油污、海洋生物附著等，以保持表面清潔，
從節能與方便性的角度來看，防沾黏的技術應用越來越廣，也會越來越多。

物體表面要防止沾黏，有三種原理(參考資料*1)，如下圖示：

由上到下分別是高表面能、剝離作用、低剪力(摩擦力)三種不同的作用
圖片來源：Non-stick Coating Selection Guide

1. 低表面能，Low surface energy
物體表面上的基本組成分子會有對外界接觸分子的不同吸附能力，
通常會以水作比較標準，
定義表面能或接觸角，
低表面能(高接觸角)表示對水分子的吸附能力差，
也就是表面不容易附著水，
因此會在表面形成球滴狀，如下圖左示：

圖片來源：ptfecoatings.com

相反的很多鍍膜或塗佈製程前必須先確認表面清潔的狀況，通常也是以接觸角作指標，
為了讓膜的附著性好，接觸角越低(水滴攤平成薄膜)越好，如上右圖示，
評估接觸角在鍍膜製程的目的是要評估表面污染的殘留狀況，以確保覆膜與基材的接著力，
實務上幾乎大部份設計都會以親水性附著力為準，因此提到接觸角通常都是以水作為標準。

所以要注意的是是親水性材料往往斥油，親油性材料往往斥水，
因此製程上若要鍍膜或塗佈時是油性物質，
對水低接觸角反而會造成油性塗層附著力差而容易剝落，
因此要注意接觸角、表面能是相對性的，必須注意材料的特性，如下圖示：

左：紡織物上的水滴，相對高表面能，水被吸附攤開；
中：水跟油放在氟素樹脂上，相對都是低表面能，形成高階觸角的水滴與油滴；
右：水跟油放在油性的蠟上，水相對蠟是低表面能，形成高接觸角的水滴，
油相對蠟是高表面能，油被蠟吸附攤平。
圖片來源：Non-stick Coating Selection Guide

為了處理這種狀況，有時就會在高親水性表面加上官能基，
讓向基材的另側的性質為親油性，
改變相對材料的表面能特性以增加附著力。


回到防止沾黏技術在這個部份原理應用上，
防止沾黏會以高接觸角，低表面能為目標，
像鐵氟龍屬於化學反應惰性的材料，

鐵氟龍，TEFLON，聚四氟乙烯

Teflon 分子鏈 3D 結構
圖片來源：3DChem.com

因為分子內部力量分布均勻，對外部不太容易吸附其他材料，是已知表面能最小的固體材料*2，
不沾鍋就是在高導熱鋁基材鍋子上塗佈鐵氟龍層，
利用鐵氟龍材質特性形成高接觸角表面，
疏水、疏油讓食材不易沾黏在鍋子表面，
至於如何在鋁材表面進行處理，至於要如何讓鐵氟龍跟鋁材可以緊密接合就是各家廠商的技術機密。

針對不同的需求，另外會有其他不同的表面鍍、塗層用來對應不同的接觸材料，可以參考資料1內容介紹。

2. 剝離作用，Ablation
有些基材表面會塗佈上表層會剝落的材料，
當其他材料附著後，塗層表層很容易剝落，使材料無法附著在基材的塗層上。
缺點是這些易剝落的鍍層材料會形成雜質汙染，
另外塗層材料因為剝落會逐漸損耗，所以必須定時補充損失的塗層。
在船舶水線以下的船外殼就經常用這種方式來防止水生生物附著在船殼上，
海水中各種不同生物總是會有可以附著在塗層上的方法，
採用剝離作用是目前最簡便有效的方式之一。

3. 低摩擦力，Low friction, low shear strength, high slip,
低摩擦力的作用跟低表面能有點像，
附著物因為表面的低摩擦係數關係不容易在表面停留，
這種現象比較像是水、灰塵在垂直"光滑平整"的玻璃面上因為摩擦力小，加上有重力作用關係會往下墜落，不容易附著，
類似例子如汽車玻璃上塗矽油封住玻璃表面的微小孔矽形成光滑面，讓水滴不容易停留。


傳統中式煎魚會要求先熱鍋，再下油，這樣就會產生不沾鍋的效果，
這裡面使用了上述 2 & 3 的原理的綜合作用，
首先熱過後下油，因為鍋子表面溫度遠超過油的沸騰溫度，
油接觸鍋子後迅速汽化成蒸氣，油的液體分子產生剝離作用，原理 2，
蒸氣在鍋子跟油之間形成一層相對較低摩擦係數的氣體層，原理3，
兩個作用同時使食物產生不沾的效果，
這種現象早在 18 世紀就被描述，稱為萊頓佛羅斯特(Leidenfrost)現象，參考3。

萊頓佛羅斯特液滴
圖片來源：Wiki

參考：
1. Non-stick Coating Selection Guide
2. 聚四氟乙烯，Wiki
3. 萊頓佛羅斯特現象，Wiki