新智能涂層材料實(shí)現(xiàn)超疏水表面與可穿戴柔性傳感功能的結(jié)合
2017-10-26 10:04:10
作者：本網(wǎng)整理 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
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近些年，超疏水表面因其優(yōu)秀的疏水性能和廣泛的應(yīng)用前景，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。
表面的疏水性能通常用表面與水靜態(tài)的接觸角和動(dòng)態(tài)的滾動(dòng)角描述。超疏水表面是指與水的接觸角大于150°，而滾動(dòng)角小于10°的表面，如生活中常見的荷葉和水黽科昆蟲的腿部等。該特殊表面在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有著極其廣闊的應(yīng)用前景，如玻璃表面的防霧，交通指示燈的自清潔，船體表面的潤(rùn)滑，紡織品的防污、選擇性吸收等。
人工制備超疏水表面雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，有效的制備方法也越來(lái)越多，主要有模板法、靜電紡絲法、相分離與自組裝法、溶膠-凝膠法、刻蝕法、水熱法、化學(xué)沉積與電沉積法、納米二氧化硅法、腐蝕法等。
就目前超疏水表面的制備和實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，穩(wěn)定性、靈活性、實(shí)用性仍是急需解決的問(wèn)題。此外，將超疏水材料與可穿戴柔性傳感應(yīng)用相結(jié)合的超疏水智能涂層未見報(bào)道。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了有多級(jí)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的多壁碳納米管（MWCNT）/熱塑性彈性體（TPE）復(fù)合超疏水智能涂層，該涂層同時(shí)兼具了超疏水和優(yōu)異的應(yīng)變感知性能，可有效地抵抗環(huán)境中水、酸液、堿液、汗液等的干擾。從研究結(jié)果來(lái)看，得益于復(fù)合涂層中梯度分布的TPE和穩(wěn)定的微米孔-納米突起復(fù)合結(jié)構(gòu)，該多功能涂層既可以與柔性襯底（如柔性織物、聚酰亞胺、聚乙烯等）穩(wěn)定結(jié)合，也可與剛性襯底（如玻璃、金屬等）良好地結(jié)合，且符合Wenzel以及Cassie模型，具有非常穩(wěn)定的超疏水性能（接觸角~162°）。
圖中（a）、（b）為多功能智能涂層表面形貌；（c）為水滴（~3mL）在未處理、堿、酸、紫外處理之后的智能涂層表面的光學(xué)照片；（d）為智能涂層截面的微觀形貌
另一方面，多孔微納復(fù)合結(jié)構(gòu)賦予MEWCNT/TPE復(fù)合網(wǎng)絡(luò)對(duì)拉伸、彎曲以及扭曲優(yōu)秀的應(yīng)變感知能力：實(shí)現(xiàn)了高靈敏度（GF：5.4~80），高分辨率（1°的彎曲），快速響應(yīng)時(shí)間（<8ms），大應(yīng)變范圍（最大應(yīng)變~76%、彎曲角度0°~140°，扭曲0-350radm-1）以及高穩(wěn)定性（5000次大應(yīng)變拉伸實(shí)驗(yàn)）。
圖中（a）為多功能智能涂層對(duì)應(yīng)變響應(yīng)；（b）對(duì)不同頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)；（c）響應(yīng)時(shí)間；（d）循環(huán)測(cè)試；（e）水滴（~3mL）在延展的涂層表面光學(xué)照片
基于智能涂層的優(yōu)異性能，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了其多功能應(yīng)用，如在復(fù)合材料中加入四氧化三鐵（Fe3O4）納米粒子構(gòu)筑磁驅(qū)動(dòng)“水黽”機(jī)器人；形成智能織物全范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體動(dòng)作等。研究結(jié)果對(duì)超疏水材料、智能材料與柔性智能系統(tǒng)領(lǐng)域有重要意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。
圖中（a）、（b）真實(shí)水黽和“腳”上涂有多功能智能涂層的磁驅(qū)動(dòng)“水黽”機(jī)器人；（c）防水智能傳感衣物；（d）智能傳感手套與防潑水能力
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