仿生超疏水和超滑表面的制备及其性能研究

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经过亿万年的进化,自然生物已形成了集结构和功能为一身的表界面来适应外界多变的环境。道法自然,通过研究自然界生物表面的微观结构来探索表面结构与润湿特性的规律,为仿生表界面的构造提供仿生模版。效仿自然,选择具有特性的生物表界面为模板,在材料的合成和制备过程中通过调控表面的微纳结构,赋予材料以生物类似的仿生功能甚至超越自然的优异性能,这对于新材料的结构设计、性能开发和功能应用具有指导意义。荷叶“出污泥而不染,濯清涟而不妖”,这种保持自身表面清洁不受污染的特性引起了科研工作者的注意,其表面的微纳米结构和蜡质疏水的化学组成才是决定超疏水性能的关键。为了大规模的制备和应用超疏水表面,寻找简单且有效的制备方法依旧是个亟待解决的问题,包括微纳米结构的设计和表面修饰剂的选择等。此外,制备的超疏水材料往往需要精细的表面结构,机械性能差,受到物理损伤后难以恢复,这种在实际工况的不稳定性能限制了超疏水表面在实际生活生产中的应用。昆虫落在猪笼草的瓶口边缘,极易滑落进去而被瓶内的液体淹死,受其光滑表面的启发在多孔表面灌注润滑液可制备成超滑表面,其制备的关键是构建粗糙表面和选择与基底结合力强的润滑油。这种超滑表面对表面精细结构的要求不高,同时能够达到很好的疏液效果,在高压高湿等极端环境下的稳定性引发了科研工作者的关注,并在自清洁抗污、抗结冰抗雾、抗腐蚀减阻等领域均有广泛的应用。本文首先介绍了自然界中超润湿表面的存在,在重点介绍荷叶和猪笼草表面特征,并归纳出仿生超疏水和超滑表面的构筑原理,接着制备超疏水和超滑表面的最新进展,并系统地介绍了超疏水和超滑表面的性能和应用。以此为基础,在多种材料表面构建了超疏水和超滑表面,并对其表面稳定性和应用进行了研究。首先,采用酸和双氧水进行化学刻蚀,经全氟硅烷修饰制备了超疏水钢块表面,借助于SEM、XPS、接触角测量仪等表征手段证明的表面的花状结构和全氟硅烷的成功接枝。在该表面注入全氟聚醚后,获到超滑表面。通过磨损试验,负载下的样品在砂纸上移动后仍可以保持表面的超疏水性,并在电化学腐蚀测试中表现出一定的耐腐蚀性能。在表面受到一定损害时,样品表面仍恢复表面的超疏水或者超滑特性。对于织物这种柔性基底,采用较为温和的两步水热法构筑表面粗糙度,制备的超亲水织物在水下表现出超疏油性而在油下表现出超疏水性,经过硬脂酸修饰后制备超疏水织物。超疏水和超亲水织物在磨损、紫外辐射、高温处理和酸碱浸泡中依旧表现出很好的耐受性和耐久性。为了分离不同的油水混合物,制备的超润湿织物能够有效地分离不同的油水混合物(如重油和水的混合物、亲油和水的混合物),并且分离效率高流量大。然而,超疏水织物在液压、低温等极端环境下,随着微纳结构空隙之间的“空气层”的消失,表面也失去了超疏水特性。在制备的超疏水织物表面灌注润滑油,制备了超滑织物表面。所制备的样品具有抗酸碱盐、磨损和高湿度下依旧保留着稳定的润湿性和防水性,并且具有自清洁和抗污性能。更重要的是,超滑织物比超疏水织物对冰粒形成具有更好的延迟效果,并且在常温下解冻时,水滴更容易从超滑表面滑落下来。
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