作者:陈曦 来源:科技日报 发布时间:2022/12/13 9:09:46
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不仅具备防水疏油“超能力”
新型斥液表面性能再次升级

 

◎本报记者 陈 曦

尽管坚固耐久型斥液表面的应用前景很美好,但将其大规模推广前,还需解决一些问题。解决耐久性评价方法的合理选择与统一化问题、优化提高耐久性的策略、开发优秀的斥液表面加工方法,对推动坚固耐久型斥液表面的工业化应用具有重要意义。

陈发泽 天津大学机械学院讲师

荷叶“出淤泥而不染”;猪笼草将接触它的昆虫“滑”进笼内;弹尾虫能够漂浮在水或油表面;鱼类在水中时油类无法黏附在其身体表面……这些动植物之所以拥有“超能力”,是因为具有斥液表面。

斥液表面在防水、自清洁、抗结冰、防腐蚀、流体操控、生物医学等方面展现出巨大的应用前景,受到了仿生制造、微流控等领域学者的广泛关注。然而,大多数斥液表面的耐久性较差,在现实环境中容易被破坏而失去斥液性,大大限制了其实际应用。

科研人员针对斥液表面的耐久性这一问题开展了大量研究工作,并取得了多项突破性成果。近日,天津大学机械学院讲师陈发泽在国际期刊《化学学会评论》上发表综述,总结了近年来坚固耐久型斥液表面的研究现状,并被遴选为当期封面论文。

借鉴生物,揭秘斥液表面的“超能力”

荷叶具有优异的自清洁性能,是因为其表面具有超疏水性,水滴在荷叶表面呈球状,容易滚落并带走附着的尘土;猪笼草的瓶状捕虫笼内壁是典型的液体灌注超滑表面;弹尾虫能够在潮湿环境中生存,得益于其表皮的超疏油性;鱼类因为鱼鳞表面牢牢吸附水层,使油类无法和表面直接接触,进而表现出水下超疏油性……虽然表现各异,但具有超疏水性、超疏油性等性能的表面都属于斥液表面。

“斥液表面指难以被液体润湿且液滴在其上容易滚落或滑落的表面,主要包括超疏水表面、超疏油表面和液体灌注的超滑表面等。”陈发泽说。

近年来,研究人员受这些生物的启发,对斥液表面进行了广泛深入的研究,极大地丰富了斥液表面在仿生制造、微纳加工、表面工程、界面化学等领域的发展。

“斥液表面的微纳粗糙结构和特殊化学成分,使其具有斥液性。”陈发泽解释,空气中的超疏水和超疏油表面具有微纳米尺度的粗糙结构和低表面能的化学成分等特点。该类表面和测试液体接触时会在固-液之间形成空气层(也被称为空气垫),阻碍液体渗入粗糙结构,且液-气接触面积远大于固-液接触面积,使液体无法润湿该类表面,故表现出超疏水性或超疏油性。对于水下超疏油表面和液体灌注的超滑表面而言,其微纳粗糙结构能将水或灌注的润滑液体牢牢锁住,在其表面形成稳定的液体层。在与液体层不互溶的测试液体与这种表面接触时,该液体层能有效阻碍表面和测试液体之间的直接接触,使其具有水下超疏油性或超滑特性。

因此,加工斥液表面的关键在于构建合适的微纳粗糙结构,调配合适的特殊化学成分,以保证该类表面和测试液体接触时,两者之间存在空气层或不互溶液体层。

正是得益于优异的斥液性和极小的固-液接触面积,斥液表面在防水、自清洁、流体减阻、抗结冰、防腐蚀、流体操控、油水分离、抗生物淤积、强化传热、高灵敏度化学及医学检测、流体能量转换发电等场景中具有较大的应用前景。

补足短板,提高斥液表面的坚固耐久性

虽然近年来有关斥液表面的研究取得了较大进展,但大多数斥液表面强度较低、耐久性差,在现实环境中容易被破坏而失去斥液性。坚固耐久性缺失大大限制了斥液表面的大规模推广和工业化应用。

陈发泽表示,以防水雨伞为例,仿荷叶超疏水表面已被应用于防水雨伞的制作,但高速雨滴撞击、折叠弯曲、摩擦等实际应用中较易遇到的场景均可能让超疏水表面失效,影响了防水雨伞的性能与耐用性,导致该类防水雨伞难以大规模普及。以海工装备为例,超疏水表面或超滑表面能使船体减小阻力、防生物淤积,但上述表面浸泡在海水中易被腐蚀和渗透,斥液性无法长久维持,因而较难在海工装备领域得到广泛应用。因此,提高斥液表面的耐久性,解决一系列限制斥液表面应用的问题,对推动其实际应用具有十分重要的意义。

“斥液表面的耐久性主要包括热力学耐久性、机械耐久性和化学耐久性三个方面。”陈发泽表示。热力学耐久性指斥液表面的空气层或液体层在扩散、蒸发、冷凝等热力学过程中的稳定性,一般可以通过增加水击压力、浸泡、蒸汽冷凝、液滴蒸发、重力引流等方法来评价;机械耐久性指斥液表面在外力作用下维持其润湿性的能力,一般可以通过切向磨损、动态撞击、胶带剥离、基体变形等方法来测试;化学耐久性指斥液表面在各种化学因素作用下的稳定性,一般可以通过酸碱盐腐蚀、紫外光照射、活性粒子处理、有机溶剂浸泡、高低温处理等方法来测试。

近年来,研究人员基于材料表面结构和成分的调控,提出了提高斥液表面耐久性的四大类策略。

第一类是通过优化基体材料或表面化学成分,选择耐久性好的基体材料或表面修饰剂,进而有效改善斥液表面的机械耐久性和化学耐久性。

第二类是设计特殊的微纳结构。如优化微结构的几何形状和尺寸参数,以提高微结构的机械强度,改善斥液表面的机械耐久性;设计凹角结构或纳米结构,以提高斥液表面空气层或液体层的稳定性,提高其热力学稳定性;通过自相似微纳结构,使斥液表面在发生机械磨损或化学腐蚀后暴露出和原表面相似的粗糙结构和化学成分,从而维持其斥液性;在微纳复合结构中,让机械强度相对较高的微米结构起到类似“铠甲”的作用,保护脆弱的纳米结构,从而改善斥液表面的机械耐久性。

第三类是通过胶层辅助等方法,增强斥液涂层和基底之间的连接强度,从而显著提高该类斥液表面的机械耐久性和化学耐久性。

第四类是制备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复,避免斥液表面的永久失效。

前景光明,大规模推广仍需解决多重问题

随着坚固耐久型斥液表面相关技术的持续发展,我们有望利用动植物的“超能力”,将斥液表面应用于日常生活、机械、能源、化工、生物、材料等领域。例如防水自清洁织物和建筑物,减阻耐腐蚀水下航行器和流体运输管道,抗结冰易除冰飞机机翼,自清洁太阳能电池盖板,高灵敏度阵列传感器等。

“尽管坚固耐久型斥液表面的前景很美好,但将其大规模推广前,还需解决一些问题。”陈发泽认为。

首先,要解决坚固耐久型斥液表面的耐久性评价方法的合理选择与统一化这一问题。该问题的解决将对推动坚固耐久型斥液表面领域的规范化发展起到重要作用。“坚固耐久型斥液表面耐久性的评价方法应根据实际应用场景作出合理选择。例如,超疏水建筑物房顶应首先考虑其在雨滴冲击、酸雨腐蚀、紫外光照射等方面的耐久性。”陈发泽解释道。

其次,要优化提高坚固耐久型斥液表面耐久性的策略。现有策略对这类表面耐久性的改善有限,并且大多只针对热力学耐久性、机械耐久性或化学耐久性这三个方面中的单一方面。如果能巧妙地优化现有方法,发挥现有策略的协同作用,将有望进一步提高斥液表面耐久性,推动坚固耐久型斥液表面的实际应用。

最后,要开发出坚固耐久型斥液表面低成本、绿色、大面积的优秀加工方法。目前的大量坚固耐久型斥液表面的加工方法大多存在流程复杂、成本高、对环境污染严重等问题。这些问题限制了坚固耐久型斥液表面的大面积加工和实际应用。

“开发出简单、低成本、绿色、可规模化生产的斥液表面加工方法,对推动坚固耐久型斥液表面的工业化应用具有重要意义。”陈发泽表示。

 
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