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大連理工大學劉新教授、宋金龍研究員團隊 AFM：超疏水超彈性薄膜的制備及能量收集
2024-03-26  來源：高分子科技

  盡管仿荷葉超疏水表面因其獨特潤濕性在多個領域具有潛在應用價值，但大部分超疏水表面的柔韌性較低，在基體遭受較大形變時，表面微結構難以維持，導致超疏水性喪失，限制了其應用。為解決此問題，柔性超疏水薄膜被廣泛提出，而現(xiàn)有的柔性超疏水薄膜常采用PDMS、PTFE等材料為基體，通過在其上直接構建微結構或涂覆超疏水涂層來獲得超疏水性，但形變能力不夠理想且涂層與基體結合強度過低，易被破壞。



  日前，大連理工大學劉新教授與宋金龍研究員團隊提出了利用激光刻蝕技術加工出的微錐孔陣列為模具，通過復制成型技術制備出超疏水超彈性薄膜。通過優(yōu)化設計模具參數(shù)后，實現(xiàn)了在不破壞模具和膜的條件下從模具上直接保持完整性撕膜，降低了成本，提高了加工效率。此外，超疏水超彈性薄膜可與電磁系統(tǒng)結合，進而實現(xiàn)雨滴能量的收集和轉化。相關工作以“Fabrication and Energy Collection of Superhydrophobic Ultra-Stretchable Film”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。博士生張嘉豪為第一作者、博士生陳陽為共同第一作者，宋金龍研究員和劉新教授為論文通訊作者。 超疏水超彈性薄膜的制備過程如圖1所示。首先，利用納秒激光系統(tǒng)獲得帶微錐孔陣列的鋁模具。然后，通過勻膠機將按比例配制的硫化天然乳膠和硅丙乳液的混合液均勻涂覆在模具上。最后，經烘干、脫模、低表面能修飾獲得超疏水超彈性薄膜。同時，探究了微錐孔尺寸對薄膜的脫模性能、微觀形貌及表面潤濕性的影響，如圖2所示。結果表明微錐孔直徑和間距均為0.1 mm的模具所得到的薄膜具有優(yōu)異的超疏水性，水滴在其上的接觸角為162°、滾動角為5°。 


圖1. 超疏水超彈性薄膜的制備過程示意圖。 


圖2. 微錐孔尺寸對薄膜的脫模性能、微觀形貌及表面潤濕性的影響。不同微錐孔尺寸對應薄膜的手工脫模過程：（a）無微錐孔，（d）0.1 mm微錐孔，（g）0.6 mm微錐孔；不同微錐孔尺寸薄膜的SEM圖像：（b）無微錐孔，（e）0.1 mm微錐孔，（i）0.6 mm微錐孔；水滴在不同微錐孔尺寸對應薄膜上的接觸角：（c）無微錐孔，（f）0.1 mm微錐孔，（j）0.6 mm微錐孔；（h）化學刻蝕脫模過程。


  通過拉伸試驗對超疏水超彈性薄膜的力學性能和潤濕性進行測試。結果表明超疏水超彈性薄膜具有優(yōu)異的拉伸性能，其斷后伸長率高達730%。在500%應變或最大應變300%循環(huán)拉伸300次的條件下，仍能保持良好的超疏水性，如圖3所示。此外，通過液滴撞擊試驗進一步對薄膜的彈性進行測試。結果顯示滴落在超疏水超彈性薄膜上的水滴可在撞擊表面后迅速彈離，而滴落在普通薄膜上的水滴則粘附在其表面，導致水滴聚集進而減小薄膜的振動幅度，如圖4所示。 


圖3. 超疏水超彈性薄膜的拉伸性能測試：（a）不同應變下的薄膜；（b）水滴在薄膜表面的接觸角隨應變的變化；（c）不同錐柱底端直徑下薄膜的力-應變曲線；（d）不同錐柱底端間距下薄膜的力-應變曲線；（e）水滴在薄膜表面接觸角和滾動角隨拉伸循環(huán)次數(shù)的變化，最大應變約為 300%。 


圖4. 水滴撞擊超疏水超彈性薄膜和普通薄膜的過程：（a）58.2 μL水滴從50 cm高處落下并撞擊超疏水超彈性薄膜和普通薄膜的過程；（b）不同水滴體積下兩種薄膜的振幅隨水滴釋放高度的變化；（c）水滴以3 mL/min的流量從50 cm的高度下落并撞擊超疏水超彈性薄膜和普通薄膜50 s后的變化過程；（d）不同薄膜的振幅隨水滴下落時間的變化。


  如何實現(xiàn)雨滴能量的高效利用一直是可再生能量開發(fā)過程中亟待解決的問題。基于所制備超疏水超彈性薄膜的優(yōu)異性能，結合電磁系統(tǒng)設計了一種超疏水超彈性薄膜-磁電發(fā)生器（SFMEG），滴落在超疏水超彈性薄膜表面的水滴可快速彈離并引起薄膜振動，帶動粘附在薄膜下表面的線圈與磁鐵相對運動，從而實現(xiàn)電磁發(fā)電。系統(tǒng)地分析了磁場強度（B）、水滴初始高度（h）、水滴體積（V）、線圈與磁鐵間距（d）、水滴流量（ω）等不同參數(shù)對SFMEG發(fā)電性能的影響，如圖5所示。通過串聯(lián)外部電阻檢測有負載情況下SFMEG的輸出特性，結果顯示當外接負載電阻從10 Ω增大到2020 Ω時，外接電阻兩端的電壓從0.03 V增大到0.22 V，表明SFMEG具有良好的輸出特性。同時，合理控制負載阻值有利用提高發(fā)電機輸出功率，如在負載阻值51 Ω時輸出功率達到最大211.3 μW。此外，在模擬降雨持續(xù)激勵下，SFMEG 可間歇性點亮發(fā)光二極管，如圖6所示。 


圖5. 超疏水超彈性薄膜-磁電發(fā)生器以及水滴撞擊試驗的輸出特性。（a）SFMEG的原理圖，它由五個部分組成：超疏水超彈性薄膜、導電線圈、磁鐵、亞克力管和泡沫底座；（b）SFMEG的實物圖像；（c）不同磁場強度下SFMEG的電流響應隨時間的變化；圖（f）是由圖（c）得出的輸出電流峰值統(tǒng)計結果。（d）不同水滴釋放高度下SFMEG的電流響應隨時間的變化。圖（g）是由圖（d）得出的輸出電流峰值統(tǒng)計結果。（e）不同體積水滴落在SFMEG上時電流響應隨時間的變化。圖（h）是由圖（e）得出的輸出電流峰值統(tǒng)計結果。 


圖6. 不同負載情況下SFMEG的輸出性能：（a）負載電壓和（b）負載功率隨外接電阻的變化；（c）SFMEG在模擬降雨激勵下可點亮發(fā)光二極管。

  以硫化天然乳膠為原材料，通過簡單的模具復制成型技術制備了一種具有優(yōu)異拉伸性能的超疏水超彈性薄膜。探究了不同模具參數(shù)對薄膜脫模性能、微觀形貌、表面潤濕性的影響，通過一系列試驗對超疏水超彈性薄膜的力學性能和穩(wěn)定性進行了測試。同時，將超疏水超彈性薄膜與電磁系統(tǒng)結合，增強和擴展了雨滴能量的收集和轉化功能，為可再生能源的開發(fā)和利用創(chuàng)造了新的機會。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400024

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（責任編輯：xu）
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