超疏水
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓c(diǎn)omsol 創(chuàng)建時(shí)間：2019-10-14
超疏水的實(shí)例教程
超疏水性是一種特殊的潤(rùn)濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，接觸角大于150度，滾動(dòng)角小于10度。材料表面能（材料表面分子比內(nèi)部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當(dāng)?shù)捅砻婺懿牧暇哂形⒂^粗糙結(jié)構(gòu)時(shí)，水滴與材料之間會(huì)形成一層空氣膜，阻礙水對(duì)材料表面的潤(rùn)濕，從而形成超疏水狀態(tài)。
超疏水表面最初的靈感來源于“荷葉效應(yīng)”。20 世紀(jì)90 年代，德國(guó)植物學(xué)家波恩大學(xué)Barthlott等揭示了荷葉表面的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結(jié)構(gòu)，荷葉表面具有微米級(jí)的乳突，乳突上有納米級(jí)的蠟晶物質(zhì)，這種微-納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導(dǎo)致水滴極易滾落。
因?yàn)樗卧?em>超疏水材料表面滾落時(shí)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(yīng)”之外，還呈現(xiàn)荷葉表面超疏水、底面親水的（Janus）潤(rùn)濕性特性。模擬荷葉表面這種特性進(jìn)行具有顯著潤(rùn)濕性差異Janus膜表面構(gòu)筑，目前研究開展的還相對(duì)較少。
近日，一個(gè)土耳其-德國(guó)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)以濾紙為多孔基底，通過單面修飾聚二甲硅氧烷（PDMS）/無機(jī)微納顆粒（粒徑范圍從數(shù)納米到數(shù)十微米），簡(jiǎn)便構(gòu)筑了具有超疏水/親水顯著潤(rùn)濕性差異的Janus紙。這種紙具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和柔韌性，同時(shí)保持良好的透氣性，在傷口處理等方面具有較大的應(yīng)用前景。
Janus紙構(gòu)筑過程示意圖
研究人員選用Whatman No. 1濾紙和實(shí)驗(yàn)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(shù)涂覆到基底表面，經(jīng)過120 ℃加熱交聯(lián)處理后PDMS共價(jià)接枝到濾紙表面。該側(cè)濾紙表面呈現(xiàn)出超疏水特性（CA~163.1 ± 1.2°）。同時(shí)，研究表明混入摻雜三種不同尺寸的無機(jī)顆粒（20?
展開 由于極強(qiáng)的斥水能力，超疏水材料已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于表面自清潔，水油分離以及抗腐蝕等多種領(lǐng)域。隨著超疏水材料的不斷發(fā)展，復(fù)雜的使用環(huán)境對(duì)其提出了更多功能性要求，如對(duì)外界環(huán)境的感知，對(duì)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(jī)氧化物（二氧化鈦，氧化鋅等），這些原料多數(shù)并不能提供實(shí)現(xiàn)超疏水材料多功能的基礎(chǔ)性質(zhì)。因此，如何制備智能超疏水材料仍然是超疏水領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所王榮國(guó)教授團(tuán)隊(duì)利用自組裝技術(shù)和沸騰浸泡的方法研制出一種對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)下落水滴的感知。這種智能超疏水材料有望被應(yīng)用于微液滴無損運(yùn)輸和感知外界雨滴。相關(guān)研究成果以“A self-sensing, superhydrophobic, heterogeneous graphene network with controllable adhesion behavior”為題發(fā)表在知名期刊Journal of Materials Chemistry A 期刊上，并被評(píng)選為2018 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers。該論文第一作者為丁國(guó)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(xiàng)研究以具有開孔微球結(jié)構(gòu)的石墨烯網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(duì)水滴的黏附性及其在微量水滴定向無損運(yùn)輸方面的應(yīng)用。
展開 （3）采用氟硅烷乙醇溶液對(duì)獲得的微柱陣列進(jìn)行低表面能修飾，獲得了接觸角超過150°的超疏水表面。
（4）根據(jù)Cassie-Baxter理論模型，發(fā)現(xiàn)掩膜電解加工構(gòu)建的超疏水微柱陣列的接觸角與Cassie-Baxter理論接觸角基本一致，并依靠這一關(guān)系，通過改變掩膜尺寸和電解加工參數(shù)可得到結(jié)構(gòu)尺寸與接觸角皆可控的超疏水微柱陣列。
圖1 掩膜電解加工技術(shù)在鋁金屬基體上加工超疏水微柱陣列的有限元仿真過程
圖2 掩膜電解加工技術(shù)構(gòu)建的鋁基體超疏水微柱陣列
結(jié)論
本文針對(duì)現(xiàn)有方法難以在金屬基體上構(gòu)建超疏水微柱陣列，提出采用掩膜電解加工技術(shù)加工鋁基體超疏水微柱陣列，并通過仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究得出了電解加工參數(shù)對(duì)微柱陣列尺寸及潤(rùn)濕性的影響規(guī)律，建立了微柱陣列尺寸及潤(rùn)濕性的調(diào)控方法。
前景與應(yīng)用
超疏水微柱陣列的應(yīng)用前景較大，如用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、固定翼飛機(jī)機(jī)翼和直升機(jī)旋翼槳葉上，可減少因結(jié)冰結(jié)霜造成的飛行阻力增大或空中停車等惡性事故；用于艦船和魚雷表面，可減小與水的摩擦阻力，抑制海洋生物附著，提高航行速度，節(jié)省能源；用于鋼結(jié)構(gòu)跨海橋梁、海上鉆井平臺(tái)及其他海洋工程裝備或設(shè)施上，可減少基體與腐蝕性液體的接觸面積，抑制海洋大氣腐蝕和海水腐蝕，提高裝備和設(shè)施壽命；用于高山地區(qū)冬季輸配電線路上，可減少因覆冰而導(dǎo)致的高壓輸電線路和輸電塔破壞事故；用于微型水面機(jī)器人上，可提高設(shè)備承載力，增加機(jī)器人的水面穩(wěn)定性和壽命；用于操作昂貴藥物液體儀器上，可減小液體和固體表面的粘附損失，實(shí)現(xiàn)液體無損轉(zhuǎn)移，節(jié)約成本。
展開 近日，上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院胡松濤副教授課題組設(shè)計(jì)并制備了具備機(jī)械強(qiáng)度的柔性超疏水仿生微結(jié)構(gòu)，兼具抗液性與耐磨性，相關(guān)研究成果在機(jī)械裝備抗液防冰等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。該成果以“Biomimetic Water-Repelling Surfaces with Robustly Flexible Structures”為題發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊。
現(xiàn)有的面向低溫沖擊液滴的超疏水界面工作遵循剛性和柔性兩類設(shè)計(jì)原則，可有效縮短固液接觸時(shí)間，但受限于苛刻的固液沖擊定位要求。研究團(tuán)隊(duì)在之前工作中，借鑒跳蟲胸殼的蘑菇狀仿生結(jié)構(gòu)來抵抗沖擊液滴，但將底部立柱狀剛性支撐替換為彈簧狀柔性支撐來調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能，形成了“類皮膚-肌肉”柔性超疏水界面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。該結(jié)構(gòu)被證實(shí)可消除界面潤(rùn)濕性能對(duì)液滴沖擊定位的依賴，但受限于弱機(jī)械強(qiáng)度。因此，研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了柔性微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成了由剛性平板和柔性彈簧組所構(gòu)成的大尺寸蘑菇狀超疏水仿生微結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)采用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S140，摩方精密）高效、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了上述界面設(shè)計(jì)的樣機(jī)制備。
△界面設(shè)計(jì)與制備（蘑菇平板陣列，寬度2800μm，厚度100μm，間隔200μm；彈簧支柱：自由高度2000μm，中徑500μm，線徑90μm，線圈數(shù)8個(gè)）
柔性蘑菇狀超疏水仿生界面結(jié)構(gòu)被證明可承受常規(guī)的法向擠壓和水平剪切行為；在實(shí)際摩擦行為中，較剛性結(jié)構(gòu)有更好的耐磨性。
△界面機(jī)械強(qiáng)度
柔性蘑菇狀超疏水仿生界面結(jié)構(gòu)被證實(shí)可以通過觸發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)來縮短固液接觸時(shí)間。
展開 海水濃縮水和工業(yè)高鹽廢水零排放是解決水污染和水資源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)資源回收的重要途徑，是亟待解決的重要環(huán)境問題。膜蒸餾法 (MD)是一種很有前途的高鹽廢水處理工藝，如果能夠充分利用工業(yè)余熱或廢熱等低品位熱源，膜蒸餾（MD）將極具競(jìng)爭(zhēng)力。MD的關(guān)鍵組成是一種穩(wěn)定的多孔疏水膜，具有大的液-氣界面，可有效地輸送水蒸氣，具有熱穩(wěn)定性和疏水穩(wěn)定性、抗浸潤(rùn)性和抗膜污染性。然而，目前聚合物或疏水改性無機(jī)膜的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是操作穩(wěn)定性不足，導(dǎo)致一些問題，如膜浸潤(rùn)、膜污染、通量和脫鹽率的下降。碳納米管(CNTs)具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如高疏水性、大比表面積、良好的熱穩(wěn)定性、機(jī)械化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性等。因此，CNT可用作改性劑以改善包括MD在內(nèi)的分離應(yīng)用，但主要用于聚合物膜。國(guó)際上，如何開發(fā)新型膜材料，同時(shí)提高操作穩(wěn)定性和膜性能，是科學(xué)家們重點(diǎn)研究的挑戰(zhàn)性工程科學(xué)問題之一。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，在大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境污染控制工程研究室董應(yīng)超教授（通訊作者）和合作者M(jìn)ichael D. Guiver教授（共同通訊作者）等團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)下，與香港大學(xué)（湯初陽教授，大連理工大學(xué)海天學(xué)者）、美國(guó)和愛爾蘭的研究單位合作，針對(duì)難點(diǎn)問題，創(chuàng)新地提出了一種超疏水陶瓷基碳納米管(CNT)脫鹽膜的總體概念設(shè)計(jì)和應(yīng)用策略，該膜具有特殊設(shè)計(jì)的膜結(jié)構(gòu)，充分利用碳納米管的疏水性、耐熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，具有前所未有的運(yùn)行穩(wěn)定性和超疏水性能，其中互連的CNT網(wǎng)絡(luò)是通過化學(xué)氣相淀積（CVD）直接在陶瓷載體的表面和長(zhǎng)通道指狀大孔內(nèi)原位形成。通過對(duì)原位生長(zhǎng)的CNT進(jìn)行定量調(diào)控，構(gòu)筑了具有CNT網(wǎng)絡(luò)的超多孔超疏水表面結(jié)構(gòu)。在加速穩(wěn)定性試驗(yàn)下，完全覆蓋的CNT層(FC-CNT膜)在熱穩(wěn)定性和超疏水穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出顯著的改善。
展開 
超疏水的最新內(nèi)容
材料潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)換，如超親水和超疏水之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換可以為滴液操縱、油水分離、信息加密、水收集等領(lǐng)域提供極大便利。
動(dòng)態(tài)雙面神行為的應(yīng)用：應(yīng)用包括一組相互連接或者并行的系統(tǒng)，其能量流動(dòng)或轉(zhuǎn)化方向可以在環(huán)境因素的刺激作出自適應(yīng)性（或主動(dòng)控制）變化。這些應(yīng)用同步化實(shí)現(xiàn)，可以顯著降低各種應(yīng)用的綜合能耗并提高耐久性。例如電化學(xué)脫鹽電池在運(yùn)行過程消耗電能，產(chǎn)生淡水資源。
高溫貯存：115℃，1000H
低溫貯存：-40℃， 96H 高溫高濕測(cè)試：85溫度93%濕度，504H
鹽霧：192H
解決方案：新材料超疏水涂層
受Nepenthes的可逆可切換潤(rùn)濕性的啟發(fā)，Chen和同事通過將石蠟注入嵌入銀納米線薄膜加熱器的超疏水微柱陣列膜中，報(bào)道了焦耳熱響應(yīng)智能窗口(圖18a,b)。根據(jù)焦耳加熱作用下石蠟的相變，在施加6V電壓時(shí)，器件的表面潤(rùn)濕性由超疏水性變?yōu)?em>超親水性(圖18d)。同時(shí)，光學(xué)可見性在不透明和透明狀態(tài)之間可逆切換(圖18c)。因此，智能窗戶的概念得到了驗(yàn)證，并在建筑熱管理中取得了成功。
受Nepenthes的可逆可切換潤(rùn)濕性的啟發(fā)，Chen和同事通過將石蠟注入嵌入銀納米線薄膜加熱器的超疏水微柱陣列膜中，報(bào)道了焦耳熱響應(yīng)智能窗口(圖18a,b)。根據(jù)焦耳加熱作用下石蠟的相變，在施加6V電壓時(shí)，器件的表面潤(rùn)濕性由超疏水性變?yōu)?em>超親水性(圖18d)。同時(shí)，光學(xué)可見性在不透明和透明狀態(tài)之間可逆切換(圖18c)。因此，智能窗戶的概念得到了驗(yàn)證，并在建筑熱管理中取得了成功。
d) Li6PS5Cl SE 膜上超疏水 Li+ 導(dǎo)電保護(hù)層的設(shè)計(jì)原理。。
要推廣可用于軟包電池的可擴(kuò)展、簡(jiǎn)單的 SE 薄膜制造策略，還需要付出更多努力。在這些策略中，溶液/流延澆鑄已被認(rèn)為是生產(chǎn)氧化物 SE 薄膜的一種可擴(kuò)展、簡(jiǎn)單而有效的策略。然而，考慮到極性溶劑可能會(huì)惡化硫化物 SE，理想的粘結(jié)劑應(yīng)在非極性溶劑中溶解，而這些粘結(jié)劑很難找到。
創(chuàng)新設(shè)計(jì)探尋設(shè)計(jì)本質(zhì)規(guī)律及引導(dǎo)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的進(jìn)化”，達(dá)索系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)理焦中華“面向增材制造的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”，北京華如科技股份有限公司首席專家、空軍事業(yè)部總經(jīng)理張建康“裝備論證與驗(yàn)證的數(shù)字化技術(shù)路線”，哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院副教授劉強(qiáng)“金屬切削刀具仿生創(chuàng)新設(shè)計(jì)”，國(guó)防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院戰(zhàn)略管理工程系講師朱智“基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的作戰(zhàn)仿真建模方法”，哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院教授李兆龍“金屬表面超疏水性能制備與仿真分析
例如，含SA的硅納米晶體具有高孔隙率、光致發(fā)光、透明度和超疏水表面，這表明其作為高能材料傳感平臺(tái)的潛力。
(4)降低成本。SA- TIMs的制備通常是繁瑣且耗時(shí)的，而且大多數(shù)高質(zhì)量(塊狀、納米多孔、無裂紋等)的SA- TIMs只能借助超臨界干燥設(shè)備制備，這導(dǎo)致了高成本SA- TIMs。
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可切換超疏/超親水智能表面的抗菌和抗細(xì)菌黏附性有何差異和關(guān)聯(lián)？
利用TiO2光致親水特性，構(gòu)建出了通過紫外光照/暗儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)超疏水/超親水可逆轉(zhuǎn)變的智能材料表面；研究發(fā)現(xiàn)：超疏水轉(zhuǎn)變至親水TNTs/Ti@Ag/AgCl(1)@FAS材料表面對(duì)大腸桿菌的抗菌率由82.9%上升至94.6%，對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率由78.9%上升至88.4%。
沖洗著淤泥，顯微鏡下超疏水材料的表面結(jié)構(gòu)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?yàn)槠渖厦娴?em>超疏水材料。超疏水材料有很大的發(fā)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(duì)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(jié)省能源。
