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新智能涂層材料實現(xiàn)超疏水表面與可穿戴柔性傳感功能的結合

2017-10-26 10:04:10 作者：本網(wǎng)整理來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所分享至：

近些年，超疏水表面因其優(yōu)秀的疏水性能和廣泛的應用前景，成為國內(nèi)外研究的熱點之一。

表面的疏水性能通常用表面與水靜態(tài)的接觸角和動態(tài)的滾動角描述。超疏水表面是指與水的接觸角大于150°，而滾動角小于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)等領域都有著極其廣闊的應用前景，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際應用情況來看，穩(wěn)定性、靈活性、實用性仍是急需解決的問題。此外，將超疏水材料與可穿戴柔性傳感應用相結合的超疏水智能涂層未見報道。

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的研究團隊構筑了有多級微納復合結構的多壁碳納米管（MWCNT）/熱塑性彈性體（TPE）復合超疏水智能涂層，該涂層同時兼具了超疏水和優(yōu)異的應變感知性能，可有效地抵抗環(huán)境中水、酸液、堿液、汗液等的干擾。從研究結果來看，得益于復合涂層中梯度分布的TPE和穩(wěn)定的微米孔-納米突起復合結構，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)定結合，也可與剛性襯底（如玻璃、金屬等）良好地結合，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照片；（d）為智能涂層截面的微觀形貌

另一方面，多孔微納復合結構賦予MEWCNT/TPE復合網(wǎng)絡對拉伸、彎曲以及扭曲優(yōu)秀的應變感知能力：實現(xiàn)了高靈敏度（GF：5.4~80），高分辨率（1°的彎曲），快速響應時間（<8ms），大應變范圍（最大應變~76%、彎曲角度0°~140°，扭曲0-350radm-1）以及高穩(wěn)定性（5000次大應變拉伸實驗）。

圖中（a）為多功能智能涂層對應變響應；（b）對不同頻率動態(tài)響應；（c）響應時間；（d）循環(huán)測試；（e）水滴（~3mL）在延展的涂層表面光學照片

基于智能涂層的優(yōu)異性能，研究團隊實現(xiàn)了其多功能應用，如在復合材料中加入四氧化三鐵（Fe3O4）納米粒子構筑磁驅動“水黽”機器人；形成智能織物全范圍實時監(jiān)測人體動作等。研究結果對超疏水材料、智能材料與柔性智能系統(tǒng)領域有重要意義。相關研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。