超润湿材料的仿生设计制备及其性能研究

来源 :湖北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhonghuiling2009
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近年来,在人们的日常生活和工业生产中存在着覆冰、腐蚀、石油污染以及大型机械设备在实际的使役过程中存在的摩擦磨损等问题,深究其原因,上述问题均与材料表面的润湿性有关,润湿特性对于界面的相互作用有着重要的影响。因此,我们提出解决上述问题的方式是仿生,师法自然,从大自然当中我们可以得到很多启示:学习荷叶的自洁净效应,其表面是由微纳米多重结构构成;学习鲨鱼皮的水下超疏油性能,其表面是由排列规整的微米结构构成;学习沙漠甲壳虫的水收集特性,其表面是由亲/疏水相间的结构构成,这些具有特殊润湿性的生物表面为仿生设计超润湿界面功能材料提供了诸多的灵感和思路。自然界给我们的启示是材料表面的润湿特性与表面化学组分和微观结构密切相关,可通过将多重维度的结构和调控表面化学成分相结合,设计及构筑超润湿界面功能材料。金属有机骨架(MOF)材料是由金属离子和有机配体通过共价键形成的一种三维多孔结构。正是由于其高比表面积和孔隙度使其成为一种可用于气体储存、催化以及液相分离的新型材料。然而,当把对水敏感的MOF置于水相环境中时,其三维结构会坍塌,极大地影响了其功能特性和结构特性。因此,在不影响MOF材料的比表面积和微观结构的条件下,赋予其表面稳定的疏水性具有重要的研究意义。一方面,超疏水涂层可作为一种赋予材料表面疏水性较好的材料。然而,对于涂层材料而言,普适应以及材料成本也是构筑超润湿材料需要考虑的重要因素。大多数构筑涂层材料的方法花费较大并且费时,所使用的修饰剂大多对环境造成污染。此外,涂层材料在实际的使用过程中存在机械耐受性差等问题,因此赋予材料内外兼具的超润湿性是解决上述问题的关键。另一方面,从构筑材料的原材料出发,虽然纸的出现可以使其具有内外兼具的性能,但由于自然界中植物纤维构筑的纸张本身具有的亲水性,难以实现防水和耐火等性能,由于纸的构筑过程中工艺繁杂且对周围环境易造成较大的污染,难以实现耐磨耐候以及性能稳定的纸的构筑。因此,基于仿生的视角,研究工作的总体思路是通过仿生自然界结构和调控表面化学组分,实现多层次仿生,着眼于材料表面超疏水、超亲水以及水下超疏油等界面性质的优化设计,同时聚焦于仿生超润湿功能材料在应用上的拓展,总体的研究工作可分为以下四个方面:(1)较大多数MOF材料一般有着很强的水敏感性,实验中通过采用聚二甲基硅氧烷对NH2-MIL-125(Ti)进行修饰,修饰后的MOF材料表现出了良好的水稳定性,并保持了本征的晶体结构和孔隙结构,比表面积未发生明显的变化。(2)利用ZnO纳米颗粒对废弃的鸡蛋壳进行掺杂,进而用硬脂酸进行修饰得到仿荷叶表面的微纳米结构的超疏水涂层,提供了环保便捷的构筑途径。由于其普适性,制备的涂层可以赋予多种基底以超疏水特性。并且由于其环保的构筑方式和所有构筑的的材料均无毒无害,使得制备的材料可以用于人们的日常生活中。(3)仿生自然界苎麻叶网状结构,通过水热法合成羟基磷灰石纳米线(HAP),调控ZnO纳米颗粒的量,实现了不需要任何修饰剂,仅通过调控表面粗糙度构筑的超疏水耐火性能兼具的无机纸。羧甲基纤维素(CMC)的加入在很大程度上提高了纸的强度。制备的超疏水耐火纸不仅表现出了良好的自清洁性,环境耐受性以及机械稳定性,而且其卓越的热稳定性和抗菌性可以延伸纸在实际使用中的应用。不仅如此,即使经过油水分离实验后,通过对纸上吸附的油进行燃烧处理后,其超疏水性仍然存在。这些特性,尤其是超疏水性和耐火阻燃性,可以使得无机纸替代仅由植物纤维构筑的纸成为可能。(4)进一步地设想,通过合成热稳定性的MOF材料-NH2-Ui O-66,并将其负载到羟基磷灰石纳米线上,合成的可用于液相和固体颗粒吸附的多功能的耐火纸。制备的纸不仅表现出了对于空气中PMs颗粒物的吸附,而且由于其表面亲水基团的存在,表现出了超亲水和水下超疏油性,可用于表面活性剂稳定型水包油乳液的高效分离。超润湿材料的研究对人类的生产生活有着重要的意义和应用价值。但随着研究的不断深入和实际应用需求的不断提高,研究者对于超润湿体系已经不只是局限于超疏水表面,更希望通过构筑特定的微观结构和合成新的修饰剂,制备出更多具有特殊润湿性的功能化表面,其中超亲水表面(空气中)、水下超疏油表面、油下超疏水表面、油下超亲水表面等功能性超润湿表面由于它们在自清洁和海洋防污方面的应用吸引了众多关注,为超润湿领域开辟了新的方向。
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