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【國外超疏水發展及軍工領域的運用】

來源:未知 點擊次數:119 發表時間:2018-07-24

超疏水材料技術是涉及生物、物理、化學以及材料等多學科交叉的前沿技術。21世紀以來,在表面科學、仿生學以及多領域學科的交叉融合推動下,新型超疏水材料層出不窮,其優秀的潤濕特性和廣泛的應用前景,引起了各國的廣泛關注。2017年4月,在美國海軍研究署等機構支持下,密歇根大學開發出新型自愈型超疏水涂層材料。該材料擁有百倍于同類涂料的耐久性,可為艦船、飛機和戰車提供兼具耐久性的防水、防結冰、自清潔能力。


一、超疏水材料技術概述

超疏水性是一種特殊的潤濕性,一般指水滴在固體表面呈球狀,接觸角大于150度,滾動角小于10度。材料表面能(材料表面分子比內部分子多出的能量)越低,疏水性越好,且當低表面能材料具有微觀粗糙結構時,水滴與材料之間會形成一層空氣膜,阻礙水對材料表面的潤濕,從而形成超疏水狀態。

構造超疏水表面有兩種方法,一是在疏水材料表面上構建微觀粗糙結構,二是用低表面能物質對微觀粗糙表面進行改性。

材料的超疏水性越好,水滴在材料表面上越接近球形,與材料的接觸面積越小,越易從材料表面滑落。此外,水滴在超疏水材料表面滾落時可帶走污染物,使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。

二、國外超疏水材料技術進展

1. 多學科交叉融合成為超疏水材料技術發展的主要動力

自然界中的動植物表皮具有特殊的微觀結構和特殊的潤濕性能,為構造超疏水材料提供了啟示,如模擬荷葉結構可以獲得超疏水性能、模仿鯊魚皮結構可以獲得水下減阻性能等。仿生材料的研究,為超疏水材料的持續進步提供了動力。2017年5月,德國弗萊堡大學開發出一種具有多層結構的自愈型超疏水涂層。這種超疏水材料表面具有類似蛇褪去外皮的特性,可實現表面受損后超疏水性的自愈,為新型耐久自愈型超疏水材料的研發提供了新思路。此外,增材制造、材料計算與模擬仿真等技術的應用,大大簡化了材料表面微結構的設計、構造與控制難度,使超疏水材料的制備快速精準,結構和性能可控,實現了材料制備工藝、結構、性能等參量或過程的定量描述,縮短了材料研制周期,降低了研發成本。

2. 耐久性突破推動超疏水材料邁向實用化

超疏水材料表面的微納結構是決定其超疏水性的主要因素,而這種微觀粗糙結構通常存在強度低、機械強度差、耐磨性差等問題,容易被外力破壞,導致超疏水性的喪失。另外,在一些場合或長期使用中,表面也可能被油性物質污染,導致疏水性變差。耐久性是長時間保持超疏水性的關鍵,也是制約超疏水材料實際應用的主要因素。提高超疏水材料耐久性的方法有增強材料表面的機械穩定性、提高材料表面的防油污性能、構造自修復超疏水材料等。

2017年4月,美國密歇根大學開發出由“氟化聚氨酯彈性體”和“F-POSS”疏水分子互溶形成的自愈型超疏水涂層材料。該材料類似橡膠的質感使其比以往的材料更有彈性,略微柔軟的表面可有效降低表面受到物理損傷的概率。這種涂層具有化學自愈特性,當表面被磨損時,新的分子將自然地遷移到損傷處以實現自愈合。涂層擁有數百次損傷后自愈的能力,甚至可在被磨損、刮擦、燒烤、離子清洗、平整、超聲處理和化學腐蝕后恢復性能。

3. 超疏水材料將向著多響應、可調控的智能化方向發展

目前,超疏水材料的研發已不局限于獲得超疏水的單一性能,而是向著多響應、可調控的智能化方向發展。將材料表面的特殊潤濕性,如超疏水、超親水、超親油、超疏油等,進行多元組合,從而實現智能化協同、可調控和相分離材料的制備,將極大拓展超疏水材料的應用范圍,如利用具有超疏水和超疏油特性的超雙疏材料可實現水性和油性液體的防護,利用超親水/超疏油或超疏水/超親油材料對油和水截然相反的潤濕性可實現油水的分離。

2017年5月,美國萊斯大學研制出可用于超級電容器等電子元器件的激光誘導石墨烯材料。該材料在空氣或氧氣中具有超親水性,而在氬氣或氫氣環境下則具有超疏水性,可通過控制氣氛環境實現超疏水-超親水的可逆調控。

三、國外超疏水材料在國防領域的應用
1. 應用于裝備,提升裝備的防腐蝕、防生物附著、防冰和自清潔能力

在防腐蝕方面,超疏水材料可以阻斷水分與金屬材質的接觸,從而緩解艦艇水線以上部分的氧化腐蝕。2010年,美國海軍在“麥克福爾”號驅逐艦上使用超疏水涂層材料保護艦船武器系統以及其他暴露在外的裝備,防止這些系統和裝備被鹽霧銹蝕侵害。

在防生物附著方面,超疏水材料可以有效防止海洋生物在艦船表面的附著,可以作為艦船防污涂料。傳統防污涂料依靠釋放砷、銅、鉛等金屬離子殺死附著生物,超疏水材料則具有環保特性,可以減少有色金屬的使用。

在防冰方面,超疏水涂層因具有能耗低、適用范圍廣、環境友好等優點而在航空、艦船、電力,通信、能源等領域的防結/覆冰雪方面顯示出潛在的工程應用前景。2016年6月,美國萊斯大學研制出可高效防冰的石墨烯復合超疏水材料,當溫度高于-14℃時,冰無法在材料表面凝結。利用石墨烯的導電特性,在更低溫度下該材料可以通過電加熱來防冰或除冰,只需施加12伏的電壓就可使材料在-51℃低溫下防結冰。

在自清潔方面,超疏水材料表面特殊微納米結構使污染物在材料表面的附著力降低,同時,超疏水材料的防水特性可使表面的水滴滾落時帶走污染物,保持材料表面的清潔。

2016年9月,美國橡樹嶺國家實驗室開發出一種應用于玻璃材質,具有自清潔、抗光反射、防指紋及污漬特性的超疏水透明涂層,可廣泛應用于電子設備顯示屏、鏡頭、探測器等光電子設備的防護。

2. 應用于服裝加工,提升人員防護能力

超疏水(超疏油)布料可應用于各類防水透氣型工作服和新型生化防護服。例如,在執行任務過程中,空軍飛行員、海軍士兵和特種兵等突然浸沒在冷水中會導致體溫下降,是造成人員傷亡的主要因素之一。防水透氣型服裝已作為美軍空軍飛行員、船員和執行海陸空行動等特種兵的專用服裝。該類服裝在溫度為20℃的冷水中,能提供高達24小時的保護作用,并且穿著輕便、舒適。防水透氣織物的應用,不僅解決了透氣和防水的矛盾,而且可以減輕雨衣的重量,從而有效減輕士兵的負荷量。

美空軍研究實驗室與國防部威脅降低局聯合開展了相關項目的研究,并于201 0年開發出基于超雙疏(超疏水和超疏油)布料的生化防護服。該服裝具有自清潔性能,且可以避免危險化學品滲入,保護士兵不受生化武器威脅。

3. 其他創新應用方向

(1)提高電池效率及散熱率。超疏水材料用于電池系統的電極隔膜,可將電解液和活性電極材料分隔開,防止副反應發生。2016年7月,德國亞琛工業大學和韓國首爾漢陽大學開發出新型納米孔超疏水隔膜材料。使用這種新型超疏水隔膜后,電池能量轉換效率達到85%,高于傳統方法76%的轉換效率。

超疏水涂層可以利用其疏水性提高散熱效率。2016年3月,羅斯科學院熱物理研究所開發出用于提高熱交換設備散熱效率的氟聚合物涂層制備技術。該技術涂層可促進液體蒸氣在設備表面加速冷凝,散熱效率要遠遠高于薄膜冷卻法。同時,冷凝液形成的過程帶走熱量,形成的液體又用于新的散熱循環。

(2)新型水上機器人。水黽具有獨特的漂浮機制和高效的劃水方式,在水面環境中能夠低耗、低噪、高效、靈活地漂浮、劃行和跳躍。水黽腿表面的微觀多級結構具有超疏水性,可以支撐水黽在水面自由活動。近年來,越來越多的學者開始研究水黽獨特的漂浮機制和高效的劃水方式。

2015年8月,韓國首爾大學和美國哈佛大學共同研制出仿水黽機器人。該機器人與水黽大小一致,可在水面跳躍。在軍事領域,水黽機器人可以作為微型偵察機器人,利用在水面快速靈活的運動特性執行特殊任務。

(3)定向集水。合理利用材料的超疏水性以及超親水性,在指定區域賦予材料不同的潤濕特性,可以用于在沙漠等干旱環境下作戰時的飲用水收集,解決人員生存等問題。2016年6月,美國西北太平洋國家實驗室研制出可實現水分逆向流動的碳納米棒材料。這種材料可在低濕度空氣環境中,將水蒸氣轉變成液態水并吸附在表面;在高濕度空氣環境中,材料具有疏水性,且濕度越高,材料表面水滴蒸發越快。這種材料可以用在沙漠中取水;如果用在服裝中,可以在高濕度環境中保持干燥舒爽。

(4)油水分離。在被油污染的水域獲取水源,需要使用快速、高效的油水分離裝置。近年來,材料表面的潤濕性成為解決這個困難的關鍵,一旦材料展現出對油和水不同的潤濕性,如超疏水-超親油性、超親水-超疏油性,則這種材料可用于實現油水分離。此外,油水分離器還可用于解決海洋石油泄漏等環境問題。

結束語

目前,超疏水材料技術正向智能化、可調控、多功能及高性能方向發展,在武器裝備防護、能源及其他創新領域展現出廣闊的應用前景。未來在多學科交叉融合發展的影響下,超疏水材料技術將與仿生技術、納米技術以及材料計算技術等緊密結合,逐步突破機械性能與耐用性能的應用瓶頸,在眾多領域發揮更大應用價值。

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