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技术分享:超超超级滑的超滑涂层

WaterOff
2024-02-08 13:33:39

超 超 超级滑的

超 滑 涂 层



众所周知,猪笼草的叶片特化为一个个捕笼。当昆虫或者其它小动物被捕笼顶部的蜜腺吸引而靠近捕笼管口时,“刺溜”一声就会跌落至笼底,沦为猪笼草的盘中餐。

那么落入捕笼的昆虫为什么无法沿着捕笼内壁攀援而上逃离虎口呢?

科学研究发现,猪笼草捕笼内壁布满许多微观结构,使得内壁表面能够较长时间地被水覆盖,保持光滑的效果,停于其上的昆虫由于无法落脚而滑入其中,成为猪笼草养分。


SLIPS



POINT

01

至此,液体浸润多孔光滑表面(slippery liquid infused porous surface, SLIPS) 的概念横空出世,以下简称“超滑表面”。

超滑表面不同于超疏水表面的气–液层,它通过在微纳结构中灌注各类润滑液获得光滑、连续且化学组分均匀的液–液表面。该表面能够不被绝大多数液体所浸润,呈现出了极小的接触角后退角;并且表面的油膜显著降低了基体表面的粗糙度,减少了与外力接触时的摩擦力;同时,该表面的动态液体自修复层使得其使用寿命大大提高。

超滑涂层构造准则



POINT

02

技术分享:超超超级滑的超滑涂层1.jpg

受猪笼草启发,科学界开始人工建造SLIPS表面——超滑涂层。

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构造超滑涂层需遵循的三大条件




润滑液必须渗透进基底中并被牢牢锁

满足该条件,需要基底拥有微米或纳米级的粗糙结构,提高比表面积以增加基底与润滑液之间的化学亲和力。


润滑液能浸润基底材料,且与基底之间的

化学亲和力必须大于测试液体与基底之间

的化学亲和力

满足该条件,需要润滑液的稳定性高、表面能低,一般选用全氟聚醚类润滑油,因为其拥有挥发性低、化学惰性强,受环境温度影响小等优点,能够在基底表面形成稳定的润滑油层。


润滑液与测试液体互不相溶


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构造超滑涂层的两种方法

 由上至下型  

通过自组装或喷涂、刷涂等,在涂料中混入微米/纳米级TiO2、SiO2 等颗粒以构造微纳结构,之后填充润滑油得到超滑表面,这一类方法的优势是可以无视基底的形状、大小,但存在着结合力较差的缺点。

由下至上型 

直接在基底表面通过刻蚀、打印等手段构造微结构,并填充润滑油形成超滑表面,这一类方法得到的超滑表面大多结构稳定性高,耐用性强。

超滑涂层应用



POINT

03

防冰冻霜冻领域

超滑表面由于其低表面能、低粗糙度及化学均相的特性,一方面能降低过冷水的成核温度,另一方面能够减少各类粉尘及微生物的附着,在本质上减少了冰核的形成。从而降低了冰在高湿度环境下生成的速率,提高了冰冻附着的难度,从防凝核和防附着两方面保证了抗冰霜的效果。

例如,电力领域输电线路防冰冻,风力发电叶片防冰冻等。

技术分享:超超超级滑的超滑涂层2.jpg

自清洁领域

超滑表面由流动的润滑油层作为接触液滴的界面,被疏液体不与固体结构直接接触,形成了特殊的液-液状态,液滴漂浮在润滑油表面,只需要一个很小的角度便能滑动滴落,同时带落附着其上的灰尘沙砾,能够有效防止、隔绝表面污损粘连。

例如,电力行业绝缘子防污,建筑业玻璃幕墙防污等。

技术分享:超超超级滑的超滑涂层3.jpg

抑菌(微生物)领域

传统的抑菌/防藻方法,无论是通过表面释放抗生素等抑菌剂,或是借助化学基团抑菌处理,亦或通过半导体抑菌反应等,均会因时间流失导致抑菌效果逐步减弱、损耗,甚至产生毒性。但超滑涂层通过降低表面粗糙度,减小摩擦力的方法让细菌或藻类无处附着,减少了微生物的大规模繁殖。

例如,海洋养殖业防藻附着,医疗行业医疗器材抑菌等。

技术分享:超超超级滑的超滑涂层4.jpg

减少阻力领域

超滑基底由于表面覆盖润滑油,其摩擦阻力非常小,超滑表面不仅可以提供良好的减阻特性,还能减少实际应用中管道易发生的污染及堵塞的可能性。

例如,轴承、各类输水输油管道润滑防堵塞、水利防附着、航运船舶防附着等。

技术分享:超超超级滑的超滑涂层5.jpg




总结及展望

超滑表面虽然相较于同类超疏水产品有更高的稳定性,但是就实际应用来看,其仍旧存在不足:例如在润滑油的储存方面,不仅要考虑到其自然挥发,还要考虑到外物的接触也会带走润滑油。而且,现有各类制备方法亦存在或多或少的缺点。

因此,如何能够做到环保、经济、简单地制备超滑表面是其投入工业化生产的另一大挑战。


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