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技術分享:超超超級滑的超滑涂層

WaterOff
2024-02-08 13:33:39

超 超 超級滑的

超 滑 涂 層



眾所周知,豬籠草的葉片特化為一個個捕籠。當昆蟲或者其它小動物被捕籠頂部的蜜腺吸引而靠近捕籠管口時,“刺溜”一聲就會跌落至籠底,淪為豬籠草的盤中餐。

那么落入捕籠的昆蟲為什么無法沿著捕籠內壁攀援而上逃離虎口呢?

科學研究發現,豬籠草捕籠內壁布滿許多微觀結構,使得內壁表面能夠較長時間地被水覆蓋,保持光滑的效果,停于其上的昆蟲由于無法落腳而滑入其中,成為豬籠草養分。


SLIPS



POINT

01

至此,液體浸潤多孔光滑表面(slippery liquid infused porous surface, SLIPS) 的概念橫空出世,以下簡稱“超滑表面”。

超滑表面不同于超疏水表面的氣–液層,它通過在微納結構中灌注各類潤滑液獲得光滑、連續且化學組分均勻的液–液表面。該表面能夠不被絕大多數液體所浸潤,呈現出了極小的接觸角后退角;并且表面的油膜顯著降低了基體表面的粗糙度,減少了與外力接觸時的摩擦力;同時,該表面的動態液體自修復層使得其使用壽命大大提高。

超滑涂層構造準則



POINT

02

技術分享:超超超級滑的超滑涂層1.jpg

受豬籠草啟發,科學界開始人工建造SLIPS表面——超滑涂層。

???

構造超滑涂層需遵循的三大條件




潤滑液必須滲透進基底中并被牢牢鎖

滿足該條件,需要基底擁有微米或納米級的粗糙結構,提高比表面積以增加基底與潤滑液之間的化學親和力。


潤滑液能浸潤基底材料,且與基底之間的

化學親和力必須大于測試液體與基底之間

的化學親和力

滿足該條件,需要潤滑液的穩定性高、表面能低,一般選用全氟聚醚類潤滑油,因為其擁有揮發性低、化學惰性強,受環境溫度影響小等優點,能夠在基底表面形成穩定的潤滑油層。


潤滑液與測試液體互不相溶


???

構造超滑涂層的兩種方法

 由上至下型  

通過自組裝或噴涂、刷涂等,在涂料中混入微米/納米級TiO2、SiO2 等顆粒以構造微納結構,之后填充潤滑油得到超滑表面,這一類方法的優勢是可以無視基底的形狀、大小,但存在著結合力較差的缺點。

由下至上型 

直接在基底表面通過刻蝕、打印等手段構造微結構,并填充潤滑油形成超滑表面,這一類方法得到的超滑表面大多結構穩定性高,耐用性強。

超滑涂層應用



POINT

03

防冰凍霜凍領域

超滑表面由于其低表面能、低粗糙度及化學均相的特性,一方面能降低過冷水的成核溫度,另一方面能夠減少各類粉塵及微生物的附著,在本質上減少了冰核的形成。從而降低了冰在高濕度環境下生成的速率,提高了冰凍附著的難度,從防凝核和防附著兩方面保證了抗冰霜的效果。

例如,電力領域輸電線路防冰凍,風力發電葉片防冰凍等。

技術分享:超超超級滑的超滑涂層2.jpg

自清潔領域

超滑表面由流動的潤滑油層作為接觸液滴的界面,被疏液體不與固體結構直接接觸,形成了特殊的液-液狀態,液滴漂浮在潤滑油表面,只需要一個很小的角度便能滑動滴落,同時帶落附著其上的灰塵沙礫,能夠有效防止、隔絕表面污損粘連。

例如,電力行業絕緣子防污,建筑業玻璃幕墻防污等。

技術分享:超超超級滑的超滑涂層3.jpg

抑菌(微生物)領域

傳統的抑菌/防藻方法,無論是通過表面釋放抗生素等抑菌劑,或是借助化學基團抑菌處理,亦或通過半導體抑菌反應等,均會因時間流失導致抑菌效果逐步減弱、損耗,甚至產生毒性。但超滑涂層通過降低表面粗糙度,減小摩擦力的方法讓細菌或藻類無處附著,減少了微生物的大規模繁殖。

例如,海洋養殖業防藻附著,醫療行業醫療器材抑菌等。

技術分享:超超超級滑的超滑涂層4.jpg

減少阻力領域

超滑基底由于表面覆蓋潤滑油,其摩擦阻力非常小,超滑表面不僅可以提供良好的減阻特性,還能減少實際應用中管道易發生的污染及堵塞的可能性。

例如,軸承、各類輸水輸油管道潤滑防堵塞、水利防附著、航運船舶防附著等。

技術分享:超超超級滑的超滑涂層5.jpg




總結及展望

超滑表面雖然相較于同類超疏水產品有更高的穩定性,但是就實際應用來看,其仍舊存在不足:例如在潤滑油的儲存方面,不僅要考慮到其自然揮發,還要考慮到外物的接觸也會帶走潤滑油。而且,現有各類制備方法亦存在或多或少的缺點。

因此,如何能夠做到環保、經濟、簡單地制備超滑表面是其投入工業化生產的另一大挑戰。


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