疏水材料
關注創建者：klapp 創建時間：2019-01-08
疏水材料的實例教程
由于極強的斥水能力，超疏水材料已經被廣泛地應用于表面自清潔，水油分離以及抗腐蝕等多種領域。隨著超疏水材料的不斷發展，復雜的使用環境對其提出了更多功能性要求，如對外界環境的感知，對水滴的黏附力可控等等。然而，由于目前制備超疏水材料的原料多為高分子化合物（聚二甲基硅氧烷，聚丙烯等）或無機氧化物（二氧化鈦，氧化鋅等），這些原料多數并不能提供實現超疏水材料多功能的基礎性質。因此，如何制備智能超疏水材料仍然是超疏水領域所面臨的一個重大挑戰。
近日，哈爾濱工業大學復合材料與結構研究所王榮國教授團隊利用自組裝技術和沸騰浸泡的方法研制出一種對水滴具有可控黏附性的聚丙烯/石墨烯超疏水材料。更為重要的是，該材料能夠通過自身電阻的變化實現對下落水滴的感知。這種智能超疏水材料有望被應用于微液滴無損運輸和感知外界雨滴。相關研究成果以“A self-sensing, superhydrophobic, heterogeneous graphene network with controllable adhesion behavior”為題發表在知名期刊Journal of Materials Chemistry A 期刊上，并被評選為2018 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers。該論文第一作者為丁國民博士，矯維成教授為通訊作者。
圖1 具有不同聚丙烯涂層量的聚丙烯/石墨烯材料的形貌
該項研究以具有開孔微球結構的石墨烯網絡為基底，利用沸騰浸泡的方法將聚丙烯涂覆在石墨烯基底表面。并且通過控制浸泡時間制備出了表面具有不同聚丙烯涂層量的材料。
圖2 不同聚丙烯/石墨烯材料的超疏水性，對水滴的黏附性及其在微量水滴定向無損運輸方面的應用。
展開 超疏水性是一種特殊的潤濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，接觸角大于150度，滾動角小于10度。材料表面能（材料表面分子比內部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當低表面能材料具有微觀粗糙結構時，水滴與材料之間會形成一層空氣膜，阻礙水對材料表面的潤濕，從而形成超疏水狀態。
超疏水表面最初的靈感來源于“荷葉效應”。20 世紀90 年代，德國植物學家波恩大學Barthlott等揭示了荷葉表面的結構，發現荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結構，荷葉表面具有微米級的乳突，乳突上有納米級的蠟晶物質，這種微-納米級的粗糙結構可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導致水滴極易滾落。
因為水滴在超疏水材料表面滾落時可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。
荷葉表面除具有超疏水特性——“荷葉效應”之外，還呈現荷葉表面超疏水、底面親水的（Janus）潤濕性特性。模擬荷葉表面這種特性進行具有顯著潤濕性差異Janus膜表面構筑，目前研究開展的還相對較少。
近日，一個土耳其-德國聯合研究團隊以濾紙為多孔基底，通過單面修飾聚二甲硅氧烷（PDMS）/無機微納顆粒（粒徑范圍從數納米到數十微米），簡便構筑了具有超疏水/親水顯著潤濕性差異的Janus紙。這種紙具有優異的化學穩定性、機械穩定性和柔韌性，同時保持良好的透氣性，在傷口處理等方面具有較大的應用前景。
Janus紙構筑過程示意圖
研究人員選用Whatman No. 1濾紙和實驗室工程棉濾紙為基底材料，PDMS、硅納米顆粒以及玻璃微球混合均勻后采用噴涂技術涂覆到基底表面，經過120 ℃加熱交聯處理后PDMS共價接枝到濾紙表面。該側濾紙表面呈現出超疏水特性（CA~163.1 ± 1.2°）。同時，研究表明混入摻雜三種不同尺寸的無機顆粒（20?
展開 接觸角穩定在140度，屬于疏水材料。
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日前，記者從中科院寧波材料所獲悉，該所海洋環境材料研究團隊攻克了電子產品低溫等離子體防水涂層關鍵技術，相關產品已在華為、vivo、小米、OPPO等高端手機與無人機、汽車、海洋工程等電子產品中廣泛應用。
海洋環境材料研究團隊負責人、中科院寧波材料所研究員曾志翔告訴《中國科學報》記者：“我們團隊與江蘇菲沃泰納米科技有限公司聯合開發了一系列防水納米涂層產品，現居國內電子產品防水涂層領域市場占有量的首位，并在蘋果、三星等國際企業進行量產可行性論證。”
從親油疏水材料說起
曾志翔告訴記者，海洋環境材料研究團隊由薛群基院士取名，團隊早前完成了高性能親油疏水材料的研發。
隨著海洋經濟發展，海洋運輸、開采過程中的石油泄漏等突發事件頻繁發生。在貨輪靠岸時，船舶壓艙水、洗艙水、機艙污水的排放也會導致大量含油廢水產生。這些含油污水給海洋生態環境帶來了巨大危害。
傳統溢油應急清理方法存在諸多不足之處。比如，傳統吸附材料吸油的同時也吸水，回收油較為困難；對油污處理速度較慢，效率較低；殘留的薄油層分散到水里，形成乳化油，嚴重影響海洋生物的生長。
為此，寧波材料所組建了海洋環境材料研究團隊，團隊先后研發了高性能親油疏水材料、超疏水吸油氈材料、高性能圍油欄材料等系列海洋溢油回收產品，相繼在勝利油田、中石化、中船重工等相關企業儲備與廣泛應用。
正是有了親油疏水材料的技術積累，團隊開發防水材料也就水到渠成。曾志翔指出，這兩種材料都是通過調控涂層的微結構和表面能來實現的，其中親油疏水材料是通過液相方法，防水材料是通過真空氣相方法，因為大多數電子產品是不能通過溶液液體處理的。
企業嗅商機求合作
曾志翔說：“如何運用納米級別涂層替代傳統產品，在保證防水、防護同時，盡量減少其影響產品外觀、導電性、散熱性和信號傳輸性，是需解決的技術難題。”
展開 02
成果掠影
近期，北京林業大學曹金珍教授在開發替代泡沫基隔熱材料方面的研究工作取得新進展，該成果有助于實現碳中和目標。該團隊展示了一種由多個高級菌絲網絡(彈性模量為1.2 GPa)結合松散分布的木屑產生的具有層次多孔結構的菌絲復合材料，包括宏觀和微觀孔隙。討論了絲狀菌絲和復合材料的形態、生物學和物理化學性質，包括它們如何受到真菌菌絲系統的影響以及它們與底物相互作用的方式。該復合材料的孔隙率為0.94，在250-3000 Hz頻率范圍內(對于15mm厚的樣品)的降噪系數為0.55，導熱系數為0.042 W/mK。它也是疏水的，可修復的，可回收的。預計這種具有優異隔熱性能和機械性能的分層多孔結構復合材料將對輕質泡沫塑料的高度可持續替代品的未來發展產生重大影響。研究成果以“Mycelium Composite with Hierarchical Porous Structure for Thermal Management ”為題發表于《Small》。
03
圖文導讀
圖1.復合材料制備過程的圖解和形態學照片。
圖2.復合材料的力學性能和結構示意圖。
圖3.天然和真菌處理木屑的結構特征。。
圖4.菌絲復合材料的保溫性能。
圖5.有限元建模分析。
圖6.菌絲復合材料的疏水性。
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圖6.菌絲復合材料的疏水性。
圖7.菌絲復合材料的可修復性和可回收性。
雖然目前已有針對自清潔疏水輻射制冷材料的研究，然而由于其制造工藝復雜，實現自清潔材料規模化生產仍有一定困難，并且已有的研究中并未對自清潔材料的使用壽命與穩定性進行評估。此外，在輻射制冷技術應用的研究中應考慮設備和系統如何進行合理的維護并定期對其性能進行測試，以保證其穩定性與耐久性。
4.4 經濟性分析
如何平衡材料成本、加工工藝與制冷性能是日間輻射制冷材料商業化利用的關鍵問題。
沖洗著淤泥，顯微鏡下超疏水材料的表面結構很粗糙，包上有包。不只是荷花上有，昆蟲的足上也有比如水黽，蚊子都能在水上行走而不劃破水面這就是因為其上面的超疏水材料。超疏水材料有很大的發展前景：首先，可以自行清潔需要干凈的地方；還可以放在金屬表面防止水的腐蝕生銹；第三，基于對昆蟲的研究我們還可以使水上飛行成為可能，在船的表面加上超疏水膜減小阻力節省能源。
僅適用于親水材料，對疏水材料的效果不大。
5、在塑料中添加導電填料如金屬粉之類，也可防止靜電的積聚這給成型加工帶來困難，同時還可能影響制品的其它性能。故實際中很少應用。
6、用強氧化劑氧化制品的表面，或用電暈放電處理制品的表面，使其產生極性，增加導電性，減少電荷的積聚。這樣做勢必增加設備和工序，很不經濟，而且效果也不理想，在現實中少有采用。
因此，這些材料實現穩定的疏水性必須依賴于疏水涂層，且通常由全氟化合物 (PFC)構成。然而，PFC涂層不能夠實現長期的疏水性（1年以上）。最近的工作表明，針孔或劃痕等表面缺陷會導致涂層壽命明顯縮短。人們越來越意識到防止缺陷對于提高薄疏水涂層耐久性的重要性。
結果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對濕度的極端環境下連續運行50000次，仍保持了高達91%的輸出性能。
（i）通過循環照射紫外光和可見光，在超疏水材料Mat B和Mat C上滾動角（SA）的可逆變化趨勢。（紫外光：365 nm，30 mW·cm -2，2 s; 可見光：530 nm，20 mW·cm -2，20 s。）
Ⅳ.
（i）通過循環照射紫外光和可見光，在超疏水材料Mat B和Mat C上滾動角（SA）的可逆變化趨勢。（紫外光：365 nm，30 mW·cm -2，2 s; 可見光：530 nm，20 mW·cm -2，20 s。）
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超疏水材料
超疏水材料是一種新型材料，它的表面具有特殊的微納米結構，而且在這些結構上有低表面能物質，因此水在其表面難以附著。
2. 三碘化氮
三碘化氮是地球上最容易爆炸的物質之一，它是一種深紅色固體，穩定性弱，十分敏感，在干燥的狀態下，任何輕微的接觸都有可能引發劇烈的爆炸。這種特性使得它經常被用于一些魔術或特效表演中。
3.
因為水滴在超疏水材料表面滾落時可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。
荷葉表面除具有超疏水特性——“荷葉效應”之外，還呈現荷葉表面超疏水、底面親水的（Janus）潤濕性特性。模擬荷葉表面這種特性進行具有顯著潤濕性差異Janus膜表面構筑，目前研究開展的還相對較少。
