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    澳門大學周冰樸助理教授課題組《Adv. Funct. Mater.》:可拉伸、半透明及耐用的超疏水柔性薄膜的制備
    2020-11-20  來源:高分子科技

      超疏水基底因其獨有的特性而在自清潔、防冰、生物傳感和微流體等領域有著廣泛的應用前景。近年來,隨著可穿戴設備、柔性材料及電子器件的不斷興起,對超疏水功能化柔性基底的需求亦不斷提升。一方面,柔性超疏水表面依然面臨著傳統超疏水所存在的諸如耐磨損穩定性的問題;另一方面,柔性超疏水薄膜需要在不同的機械變形過程中,保持一定的疏水性能;同時,如能保留光學透明度,對拓寬超疏水柔性薄膜在不同場景的實際應用亦具有重要的意義。


      基于此,課題組提出了一種工藝簡單,低成本,環境友好的方法來制備具有疏水性、半透明性、耐用性以及大規模生產潛力的超疏水薄膜。首先,通過靜磁場的施加,使混合有羰基鐵粉(CIP)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)沿磁感線方向聚集排布,在重力、磁力和表面張力的共同作用下形成微米級纖毛結構。進一步通過簡單的溶脹過程,將二氧化硅納米顆粒修飾于柔軟的微纖毛陣列,使其成為具有低表面能的分層結構。這種簡易制備方法可使薄膜獲得170°的接觸角以及2°的滾動角,且對于較大初始動能的液滴撞擊或注射水柱亦具有反彈能力。同時,該方法使得納米顆粒和微纖毛陣列之間具有緊密的相互作用,從而使柔性超疏水薄膜具有對多種穩定性測試的耐受性;另外,因微纖毛部分聚集了大部分的CIP顆粒,樣品呈現出較好的光學透明性,從而在光電器件等方面具有廣泛的應用潛能。


    圖1. a)柔性超疏水膜的制造示意圖。b)柔性超疏水薄膜的樣品圖。c)薄膜浸沒在水中的鏡面效應。d)柔性超疏水薄膜貼合于細圓柱和六邊形柱面上的圖像。e)柔性超疏水薄膜貼合在志愿者的手部,在拉伸和彎曲時保持著超疏水性。f)不同CIP比例的薄膜透光性對比。g)超疏水薄膜的表面微觀結構SEM圖片。h)液滴掉落于超疏水薄膜及反彈的過程展示。


      另外,通過對摻雜的磁性顆粒質量比、溶脹時間等參數的調控,該工作系統地研究了超疏水薄膜的柔性和耐久性,并對超疏水薄膜經過有機污染物、化學腐蝕、大功率超聲處理及各種機械變形條件下的超疏水性能維持能力進行了表征。該薄膜在砂紙打磨和正面壓力的測試中也表現出優越的穩定性。在多周期的1MPa正面施壓、汽車碾壓及周期性砂紙打磨等處理后,均能保持相對穩定的非潤濕性表面性質。而在薄膜拉伸達125%的情況下,由于其本身所特有的密集分層微纖毛陣列的存在,柔性薄膜仍具有163°的接觸角和8°的滾動角。經過500個周期的往返拉伸測試,超疏水表面特性沒有明顯的退化。相對于部分已報導的柔性超疏水薄膜,該工作在制備方法及性能穩定方面均表現出了一定的優越性。


    圖2. a)具處于不同拉伸程度(0% ~ 120%)的超疏水薄膜樣品圖。b)在線性拉伸時,薄膜保持超疏水性的示意圖。c)在300W超聲功率下薄膜的接觸角及滾動角的變化趨勢。d)經韋伯數為4050,流速為6.5m/s的水流沖擊后,薄膜仍然保持超疏水性。e)周期性砂紙的機械磨損和表面形貌的示意圖,以及在不同壓強的磨損下接觸角和滾動角的變化。f)在汽車車輪碾壓(~1250kg)后,薄膜依然保持超疏水性能。


      基于所表現出的良好憎水性、柔性、穩定性和光學透明性質,文章亦展示了該薄膜作為人機界面觸摸屏的保護膜以及雨傘的防水層等應用潛能。一片5厘米×5厘米的超疏水薄膜成本估算僅為約0.56美元,且無需經過復雜的微納加工過程,表明了該薄膜具有大范圍實用化生產的價值及潛力。


    圖3. a)樣品作為電子產品觸摸屏保護膜的多種操作示意圖,且操作后的樣品依然保持超疏水性。b)柔性薄膜緊貼于傘的外部且在連續水流沖擊后仍然保持超疏水性。


      該研究得到了澳門科學技術發展基金、澳門大學、重慶大學新型微納米器件與系統技術重點學科實驗室的支持。相關成果發表于Advanced Functional Materials。文章的第一作者為澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生戴子憶,共同第一作者為澳門大學應用物理與材料工程研究院博士生陳戈。通訊作者為周冰樸助理教授和廣州大學化學化工學院林璟教授,重慶大學的徐溢教授李順波教授,及課題組博士生丁森亦為工作做出了重要貢獻。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202008574

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