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新技術:新型斥液表面性能再次升級

2022/12/13 18:56:00 來源: 評論(0)2946

斥液

  

  盡管堅固耐久型斥液表面的應用前景很美好,但將其大規模推廣前,還需解決一些問題。解決耐久性評價方法的合理選擇與統一化問題、優化提高耐久性的策略、開發優秀的斥液表面加工方法,對推動堅固耐久型斥液表面的工業化應用具有重要意義。

  荷葉“出淤泥而不染”;豬籠草將接觸它的昆蟲“滑”進籠內;彈尾蟲能夠漂浮在水或油表面;魚類在水中時油類無法黏附在其身體表面……這些動植物之所以擁有“超能力”,是因為具有斥液表面。

  斥液表面在防水、自清潔、抗結冰、防腐蝕、流體操控、生物醫學等方面展現出巨大的應用前景,受到了仿生制造、微流控等領域學者的廣泛關注。然而,大多數斥液表面的耐久性較差,在現實環境中容易被破壞而失去斥液性,大大限制了其實際應用。

  科研人員針對斥液表面的耐久性這一問題開展了大量研究工作,并取得了多項突破性成果。近日,天津大學機械學院講師陳發澤在國際期刊《化學學會評論》上發表綜述,總結了近年來堅固耐久型斥液表面的研究現狀,并被遴選為當期封面論文。

  借鑒生物,揭秘斥液表面的“超能力”

  荷葉具有優異的自清潔性能,是因為其表面具有超疏水性,水滴在荷葉表面呈球狀,容易滾落并帶走附著的塵土;豬籠草的瓶狀捕蟲籠內壁是典型的液體灌注超滑表面;彈尾蟲能夠在潮濕環境中生存,得益于其表皮的超疏油性;魚類因為魚鱗表面牢牢吸附水層,使油類無法和表面直接接觸,進而表現出水下超疏油性……雖然表現各異,但具有超疏水性、超疏油性等性能的表面都屬于斥液表面。

  “斥液表面指難以被液體潤濕且液滴在其上容易滾落或滑落的表面,主要包括超疏水表面、超疏油表面和液體灌注的超滑表面等?!标惏l澤說。

  近年來,研究人員受這些生物的啟發,對斥液表面進行了廣泛深入的研究,極大地豐富了斥液表面在仿生制造、微納加工、表面工程、界面化學等領域的發展。

  “斥液表面的微納粗糙結構和特殊化學成分,使其具有斥液性?!标惏l澤解釋,空氣中的超疏水和超疏油表面具有微納米尺度的粗糙結構和低表面能的化學成分等特點。該類表面和測試液體接觸時會在固-液之間形成空氣層(也被稱為空氣墊),阻礙液體滲入粗糙結構,且液-氣接觸面積遠大于固-液接觸面積,使液體無法潤濕該類表面,故表現出超疏水性或超疏油性。對于水下超疏油表面和液體灌注的超滑表面而言,其微納粗糙結構能將水或灌注的潤滑液體牢牢鎖住,在其表面形成穩定的液體層。在與液體層不互溶的測試液體與這種表面接觸時,該液體層能有效阻礙表面和測試液體之間的直接接觸,使其具有水下超疏油性或超滑特性。

  因此,加工斥液表面的關鍵在于構建合適的微納粗糙結構,調配合適的特殊化學成分,以保證該類表面和測試液體接觸時,兩者之間存在空氣層或不互溶液體層。

  正是得益于優異的斥液性和極小的固-液接觸面積,斥液表面在防水、自清潔、流體減阻、抗結冰、防腐蝕、流體操控、油水分離、抗生物淤積、強化傳熱、高靈敏度化學及醫學檢測、流體能量轉換發電等場景中具有較大的應用前景。

  補足短板,提高斥液表面的堅固耐久性

  雖然近年來有關斥液表面的研究取得了較大進展,但大多數斥液表面強度較低、耐久性差,在現實環境中容易被破壞而失去斥液性。堅固耐久性缺失大大限制了斥液表面的大規模推廣和工業化應用。

  陳發澤表示,以防水雨傘為例,仿荷葉超疏水表面已被應用于防水雨傘的制作,但高速雨滴撞擊、折疊彎曲、摩擦等實際應用中較易遇到的場景均可能讓超疏水表面失效,影響了防水雨傘的性能與耐用性,導致該類防水雨傘難以大規模普及。以海工裝備為例,超疏水表面或超滑表面能使船體減小阻力、防生物淤積,但上述表面浸泡在海水中易被腐蝕和滲透,斥液性無法長久維持,因而較難在海工裝備領域得到廣泛應用。因此,提高斥液表面的耐久性,解決一系列限制斥液表面應用的問題,對推動其實際應用具有十分重要的意義。

  “斥液表面的耐久性主要包括熱力學耐久性、機械耐久性和化學耐久性三個方面?!标惏l澤表示。熱力學耐久性指斥液表面的空氣層或液體層在擴散、蒸發、冷凝等熱力學過程中的穩定性,一般可以通過增加水擊壓力、浸泡、蒸汽冷凝、液滴蒸發、重力引流等方法來評價;機械耐久性指斥液表面在外力作用下維持其潤濕性的能力,一般可以通過切向磨損、動態撞擊、膠帶剝離、基體變形等方法來測試;化學耐久性指斥液表面在各種化學因素作用下的穩定性,一般可以通過酸堿鹽腐蝕、紫外光照射、活性粒子處理、有機溶劑浸泡、高低溫處理等方法來測試。

  近年來,研究人員基于材料表面結構和成分的調控,提出了提高斥液表面耐久性的四大類策略。

  第一類是通過優化基體材料或表面化學成分,選擇耐久性好的基體材料或表面修飾劑,進而有效改善斥液表面的機械耐久性和化學耐久性。

  第二類是設計特殊的微納結構。如優化微結構的幾何形狀和尺寸參數,以提高微結構的機械強度,改善斥液表面的機械耐久性;設計凹角結構或納米結構,以提高斥液表面空氣層或液體層的穩定性,提高其熱力學穩定性;通過自相似微納結構,使斥液表面在發生機械磨損或化學腐蝕后暴露出和原表面相似的粗糙結構和化學成分,從而維持其斥液性;在微納復合結構中,讓機械強度相對較高的微米結構起到類似“鎧甲”的作用,保護脆弱的納米結構,從而改善斥液表面的機械耐久性。

  第三類是通過膠層輔助等方法,增強斥液涂層和基底之間的連接強度,從而顯著提高該類斥液表面的機械耐久性和化學耐久性。

  第四類是制備具有自愈性的斥液表面,使斥液表面在失去斥液性后可自行恢復,避免斥液表面的永久失效。

  前景光明,大規模推廣仍需解決多重問題

  隨著堅固耐久型斥液表面相關技術的持續發展,我們有望利用動植物的“超能力”,將斥液表面應用于日常生活、機械、能源、化工、生物、材料等領域。例如防水自清潔織物和建筑物,減阻耐腐蝕水下航行器和流體運輸管道,抗結冰易除冰飛機機翼,自清潔太陽能電池蓋板,高靈敏度陣列傳感器等。

  “盡管堅固耐久型斥液表面的前景很美好,但將其大規模推廣前,還需解決一些問題?!标惏l澤認為。

  首先,要解決堅固耐久型斥液表面的耐久性評價方法的合理選擇與統一化這一問題。該問題的解決將對推動堅固耐久型斥液表面領域的規范化發展起到重要作用?!皥怨棠途眯统庖罕砻婺途眯缘脑u價方法應根據實際應用場景作出合理選擇。例如,超疏水建筑物房頂應首先考慮其在雨滴沖擊、酸雨腐蝕、紫外光照射等方面的耐久性?!标惏l澤解釋道。

  其次,要優化提高堅固耐久型斥液表面耐久性的策略?,F有策略對這類表面耐久性的改善有限,并且大多只針對熱力學耐久性、機械耐久性或化學耐久性這三個方面中的單一方面。如果能巧妙地優化現有方法,發揮現有策略的協同作用,將有望進一步提高斥液表面耐久性,推動堅固耐久型斥液表面的實際應用。

  最后,要開發出堅固耐久型斥液表面低成本、綠色、大面積的優秀加工方法。目前的大量堅固耐久型斥液表面的加工方法大多存在流程復雜、成本高、對環境污染嚴重等問題。這些問題限制了堅固耐久型斥液表面的大面積加工和實際應用。

  “開發出簡單、低成本、綠色、可規?;a的斥液表面加工方法,對推動堅固耐久型斥液表面的工業化應用具有重要意義?!标惏l澤表示。


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