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清华大学郑泉水院士团队《AFM》:耐磨损、耐冲击、自清洁的超疏水/超疏油微纳复合材料-岩拓气凝胶

清华大学郑泉水院士团队《AFM》:耐磨损、耐冲击、自清洁的超疏水/超疏油微纳复合材料

超疏水表面具有自清洁,防冰,抗生物粘附,减阻,油水分离等特点,在实际应用中有着广阔的应用前景,引起了广泛的研究兴趣。但是,在实践中,人造超疏水表面的产品寿命明显短于实际预期,特别是在暴露于恶劣环境期间。根本根源在于,超疏水性是化学疏水性和具有高粗糙度的微米级和/或纳米级表面结构的协同效应,因此,对机械磨损,冲击等的抵抗力很弱。

通常,采用了四种不同的策略来解决这一问题:

(1)仿生天然的超疏水表面的自我修复能力;

(2)使用顺应涂层,以便通过较大的弹性变形来软化峰值应力,从而抑制不可逆的破坏;

(3)设计可能以自相似方式失效的涂层;

(4)使用固有耐磨材料或稳定介质作为模板,以减少对表面粗糙度特征的损害。

然而,在实际应用中,超疏水表面依然会在磨损和冲击下,失去超疏水性。因此,制备具有耐磨损、耐冲击性的超疏水表面,依旧是一个巨大的挑战性。

鉴于此,清华大学郑泉水院士团队通过在3D微骨架中完全填充超疏水介质的策略,制得到高机械稳定性的超疏水微骨架纳米填料(MSNF)薄膜。所得的MSNF膜不仅在冲击(约40.2 J动能)、磨损,刮刀刮擦和循环胶带剥离后,依旧保持超疏水性。此外,MSNF还具有超疏油性,可防止油污染并在较大的弯曲或扭转下保留超疏水性。

结合坚固性和可扩展性,MSNF膜将在恶劣环境下的汽车,轮船,飞机和房屋中使用,并且该策略可以扩展到各种廉价的结构化材料(例如多孔铁)。相关工作以“Microskeleton-Nanofiller Composite with Mechanical Super-Robust Superhydrophobicity against Abrasion and Impact”在Advanced Functional Materials上发表。

清华大学郑泉水院士团队《AFM》:耐磨损、耐冲击、自清洁的超疏水/超疏油微纳复合材料

MSNF膜的制备:

将粗糙的多孔铁浸入有机/无机复合溶液中,涡旋10分钟,然后在室温下进一步超声15分钟。然后将样品在空气中放置15分钟,然后放入120°C的烤箱中,直到发生涂层完全交联,充分固化。最后,通过超声处理约20分钟去除固化材料表面上多余的残留物,得到MSNF膜。

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MSNF膜的制备

 

 

MSNF膜的形成机理及性能:

磷化液对骨架材料表面的处理,在骨架表面引入了引入纳米级粗糙度,从而增强骨架与填料之间的界面结合强度;γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)充当连接无机材料和有机材料的“分子桥”,即形成无机KH550有机相的键合层,增加了氟化环氧树脂基料和无机填料(疏水性纳米SiO2)之间的结合,形成无机/有机复合溶液。无机/有机介质填充粗糙的多孔铁骨架后,在表面交联形成薄膜。无机纳米颗粒,有机交联物质和多孔骨架共同形成了微米/纳米粗糙结构,为超疏水性提供了结构基础。此外,由于薄膜中含有大量-CF3和-CF2的低表面能基团,可以为表面提供低表面能。在低表面能和合适微纳粗糙度的协同作用下,MSNF获得了优异的超疏水性和超疏油性。

清华大学郑泉水院士团队《AFM》:耐磨损、耐冲击、自清洁的超疏水/超疏油微纳复合材料
SEM图

 

清华大学郑泉水院士团队《AFM》:耐磨损、耐冲击、自清洁的超疏水/超疏油微纳复合材料
有机/无机复合溶液的制备

 

为了表征MSNF膜的机械稳定性,作者进行了标准砂纸磨耗,冲击,磨耗,刀刮擦和胶带剥离试验。研究表明,MSNF膜在砂纸上(12.25kPa压力)打磨2500个周期(对应于500 m),承受球3次反复冲击(冲击能量为40.2J),Taber磨耗、刮刀刮擦和循环胶带剥离后,表面仍表现出超疏水性(CA大于150°,SA小于10°)。将污垢放在表面上,通过水滴完全去除。从SEM可以看出,在磨损和冲击下,MSNF膜的最外层被刮掉了,而嵌入介质内部的精细骨架在介质的帮助下几乎可以保持很小的变形,由于介质是块状超疏水材料,因此新暴露的介质表面将保持与原始介质类似的超疏水性。表明,高机械耐磨性和抗冲击性结合的MSNF薄膜在室外恶劣条件下可以长期稳定地使用。

清华大学郑泉水院士团队《AFM》:耐磨损、耐冲击、自清洁的超疏水/超疏油微纳复合材料
MSNF的机械稳定性

 

清华大学郑泉水院士团队《AFM》:耐磨损、耐冲击、自清洁的超疏水/超疏油微纳复合材料
机械稳定性机理图 

 

除了机械磨损外,作者还研究了MSNF膜的弯曲,扭转和亲/疏油性。研究表明,MSNF膜具有良好的柔韧性,可以很大程度地弯曲(达360°),扭结区域上的液滴仍保持球形,从弯曲表面掉落然后迅速滚落。在15次弯曲循环后,MSNF膜仍具有良好的抵抗弯曲循环的强度。此外, MSNF膜也显示出出色的超两疏性,在30个磨损循环后,其超疏油性没有发生任何变化。但在60个磨蚀循环后,疏油能力显著下降。3D图像表明,超疏油性所需要的凹入结构在磨损后被破坏,而超疏水性所需的微/纳米结构仍然存在,因此在过度磨损后,尽管MSNF的疏油性能下降,但其疏水性不受影响。

清华大学郑泉水院士团队《AFM》:耐磨损、耐冲击、自清洁的超疏水/超疏油微纳复合材料
超双疏性MSNF膜的柔韧性

 

小结:作者采用超疏水介质填充粗糙多孔骨架设计的MSNF膜,为获得具有高耐磨性和抗冲击性的超疏水表面提供了一种直接而通用的解决方案,克服超疏水表面的“脆弱”缺点。在改进填充方法并降低成本的前提下,实现MSNF膜的大规模应用,满足极端苛刻环境中的新兴需求。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910665

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