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澳门大学周冰朴助理教授课题组《Adv. Funct. Mater.》:可拉伸、半透明及耐用的超疏水柔性薄膜的制备
2020-11-20  来源:高分子科技

  超疏水基底因其独有的特性而在自清洁、防冰、生物传感和微流体等领域有着广泛的应用前景。近年来,随着可穿戴设备、柔性材料及电子器件的不断兴起,对超疏水功能化柔性基底的需求亦不断提升。一方面,柔性超疏水表面依然面临着传统超疏水所存在的诸如耐磨损稳定性的问题;另一方面,柔性超疏水薄膜需要在不同的机械变形过程中,保持一定的疏水性能;同时,如能保留光学透明度,对拓宽超疏水柔性薄膜在不同场景的实际应用亦具有重要的意义。


  基于此,课题组提出了一种工艺简单,低成本,环境友好的方法来制备具有疏水性、半透明性、耐用性以及大规模生产潜力的超疏水薄膜。首先,通过静磁场的施加,使混合有羰基铁粉(CIP)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)沿磁感线方向聚集排布,在重力、磁力和表面张力的共同作用下形成微米级纤毛结构。进一步通过简单的溶胀过程,将二氧化硅纳米颗粒修饰于柔软的微纤毛阵列,使其成为具有低表面能的分层结构。这种简易制备方法可使薄膜获得170°的接触角以及2°的滚动角,且对于较大初始动能的液滴撞击或注射水柱亦具有反弹能力。同时,该方法使得纳米颗粒和微纤毛阵列之间具有紧密的相互作用,从而使柔性超疏水薄膜具有对多种稳定性测试的耐受性;另外,因微纤毛部分聚集了大部分的CIP颗粒,样品呈现出较好的光学透明性,从而在光电器件等方面具有广泛的应用潜能。


图1. a)柔性超疏水膜的制造示意图。b)柔性超疏水薄膜的样品图。c)薄膜浸没在水中的镜面效应。d)柔性超疏水薄膜贴合于细圆柱和六边形柱面上的图像。e)柔性超疏水薄膜贴合在志愿者的手部,在拉伸和弯曲时保持着超疏水性。f)不同CIP比例的薄膜透光性对比。g)超疏水薄膜的表面微观结构SEM图片。h)液滴掉落于超疏水薄膜及反弹的过程展示。


  另外,通过对掺杂的磁性颗粒质量比、溶胀时间等参数的调控,该工作系统地研究了超疏水薄膜的柔性和耐久性,并对超疏水薄膜经过有机污染物、化学腐蚀、大功率超声处理及各种机械变形条件下的超疏水性能维持能力进行了表征。该薄膜在砂纸打磨和正面压力的测试中也表现出优越的稳定性。在多周期的1MPa正面施压、汽车碾压及周期性砂纸打磨等处理后,均能保持相对稳定的非润湿性表面性质。而在薄膜拉伸达125%的情况下,由于其本身所特有的密集分层微纤毛阵列的存在,柔性薄膜仍具有163°的接触角和8°的滚动角。经过500个周期的往返拉伸测试,超疏水表面特性没有明显的退化。相对于部分已报导的柔性超疏水薄膜,该工作在制备方法及性能稳定方面均表现出了一定的优越性。


图2. a)具处于不同拉伸程度(0% ~ 120%)的超疏水薄膜样品图。b)在线性拉伸时,薄膜保持超疏水性的示意图。c)在300W超声功率下薄膜的接触角及滚动角的变化趋势。d)经韦伯数为4050,流速为6.5m/s的水流冲击后,薄膜仍然保持超疏水性。e)周期性砂纸的机械磨损和表面形貌的示意图,以及在不同压强的磨损下接触角和滚动角的变化。f)在汽车车轮碾压(~1250kg)后,薄膜依然保持超疏水性能。


  基于所表现出的良好憎水性、柔性、稳定性和光学透明性质,文章亦展示了该薄膜作为人机界面触摸屏的保护膜以及雨伞的防水层等应用潜能。一片5厘米×5厘米的超疏水薄膜成本估算仅为约0.56美元,且无需经过复杂的微纳加工过程,表明了该薄膜具有大范围实用化生产的价值及潜力。


图3. a)样品作为电子产品触摸屏保护膜的多种操作示意图,且操作后的样品依然保持超疏水性。b)柔性薄膜紧贴于伞的外部且在连续水流冲击后仍然保持超疏水性。


  该研究得到了澳门科学技术发展基金、澳门大学、重庆大学新型微纳米器件与系统技术重点学科实验室的支持。相关成果发表于Advanced Functional Materials。文章的第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生戴子忆,共同第一作者为澳门大学应用物理与材料工程研究院博士生陈戈。通讯作者为周冰朴助理教授和广州大学化学化工学院林璟教授,重庆大学的徐溢教授李顺波教授,及课题组博士生丁森亦为工作做出了重要贡献。


  原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202008574

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