類荷葉表面結(jié)構(gòu)的超疏水性材料:多孔微球/納米纖維復(fù)合薄膜
類荷葉表面結(jié)構(gòu)的超疏水性材料:多孔微球/納米纖維復(fù)合薄膜
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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè),公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū),專業(yè)的光電鍍膜公司,技術(shù)背景依托中國科學(xué)院,卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工;光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡,平板顯示,安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn),為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
“出淤泥而不染,濯清漣而不妖?!弊怨乓詠恚扇~這種“大珠小珠落玉盤”的現(xiàn)象一直受到文人墨客的關(guān)注,但這現(xiàn)象背后的原因隨著近現(xiàn)代顯微鏡技術(shù)的發(fā)展才得到揭秘,見圖1所示。荷葉的超疏水性現(xiàn)象主要得益于多級(jí)的微納米結(jié)構(gòu)和材料本身低表面能的屬性??茖W(xué)家們?yōu)榱四M荷葉的乳突多級(jí)結(jié)構(gòu),已經(jīng)采用了包括模壓、相分離、等離子體氟化和電流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)等方法,制備了多種具有自清潔功能的超疏水性材料。
圖1. 超疏水的荷葉和表面結(jié)構(gòu)。(A)球形水滴在荷葉表面;(B)荷葉表面的微結(jié)構(gòu)及其(C)電鏡圖像;(D)單個(gè)乳突的電鏡圖像。
電流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)主要包括靜電紡絲和靜電噴霧兩種。聚合物、無機(jī)物等材料能通過該技術(shù)能方便制備出具有微納米尺度的纖維或顆粒,從而增大材料的比表面積和粗糙度。早在2004年,有研究者(Jiang Lei et al. Angew. Chem. 2004, 116, 4438?4441)基于不同濃度的聚苯乙烯/DMF溶液分別制備出微納米纖維和多孔微球,并比較兩種材料的疏水性(PS,Mw =220000)。與溶液澆注法制備的PS薄膜相比,靜電紡絲纖維的水接觸角較大(95.1±0.3° VS 139.1±1.8°)。聚苯乙烯分子是由脂肪鏈(-CH2-)作為主鏈,苯環(huán)作為主鏈的側(cè)基,具有一定的疏水性,而靜電紡絲加工后材料的表面纖維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則進(jìn)一步提高了疏水性。隨后將濃度為25 wt%的PS/DMF溶液稀釋至5 wt%并進(jìn)行靜電噴霧實(shí)驗(yàn),成功制備出一種表面具有凸起結(jié)構(gòu)的多孔微球,見圖2。多孔微球的直徑為2~7 μm,凸起的直徑在50~70 nm之內(nèi)。由這種微球覆蓋的表面疏水性更大,水接觸角為162.1±1.0°,這已經(jīng)高于超疏水性材料的*低水接觸角(150°)。
圖2. 靜電噴霧法PS多孔微球。(A)由多孔微球組成的表面;(B)多孔微球的微觀圖像;(C)水接觸角隨著PS表面結(jié)構(gòu)變化而變大。由于部分多孔微球的密度比水低,微球漂浮在水滴表面上,如箭頭所示。
為了增強(qiáng)多孔微球支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,研究者稍微提高PS溶液的濃度(7 wt%)并靜電紡絲,得到一種多孔微球/納米纖維復(fù)合薄膜。其中,微球間以納米纖維作為紐帶,因此支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提高,其水接觸角為160.4°,如圖3所示。
圖3. 納米纖維/多孔微球復(fù)合支架的電鏡圖像與水接觸角。
由電流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)加工的支架形態(tài)主要受到溶液濃度、溶劑性質(zhì)、電勢和噴嘴/接收板距離的影響。其中,溶液濃度和溶劑對(duì)于薄膜形態(tài)影響較大。由于表面張力的影響,噴射流傾向于收縮成球來獲得*小表面積。當(dāng)溶液濃度較高時(shí)(20-30 wt%),溶液黏度較大,分子纏結(jié)程度較高,在電場拉伸過程中容易成纖并能迅速固化。低濃度溶液(3-5 wt%)的黏度較低,表面張力較大,帶電噴射流傾向于收縮和斷裂而不足以維持穩(wěn)定的拉伸,所以*終形成微球。多孔微球/納米纖維復(fù)合態(tài)則是上述兩種形態(tài)的中間態(tài),源于濃度為7 wt%的溶液。在這濃度下,帶電噴射流部分傾向于形成微球,部分則拉伸成絲。這種支架由于同時(shí)具有微球結(jié)構(gòu)和納米尺寸的突起結(jié)構(gòu),故增加了支架的表面粗糙度。空氣被表面微納米尺寸結(jié)構(gòu)營造的孔洞所捕獲,而且空氣的水接觸角為180°(空氣與水之間的摩擦力大),因此支架的疏水性變強(qiáng)。這種現(xiàn)象符合了Cassie和Baxter描述的平滑表面水接觸角θ與粗糙表面水接觸角θCB的關(guān)系式:
cosθCB = f1×cosθ- f2
其中,f1和f2分別表示固體表面和空氣與水滴接觸的面積分?jǐn)?shù),規(guī)定f1+f2=1。當(dāng)代入θ = 95.1°和θCB = 160.4°時(shí),求得f2 = 0.934,表明這種納米纖維/多孔支架復(fù)合支架表面上捕獲了較多的空氣,因此具有超疏水性能。
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采用德國薄膜制備工藝,形成了一套具有嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)式流程技術(shù)制備體系,能夠制備各種超高性能光學(xué)薄膜,包括紅外薄膜、增透膜,ARcoating,激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜,應(yīng)用領(lǐng)域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、光學(xué)科研,紅外制導(dǎo)、面部識(shí)別、VR/AR應(yīng)用,博物館,低反射櫥窗玻璃,畫框,工業(yè)燈具照明,廣告機(jī),點(diǎn)餐機(jī),電子白板,安防監(jiān)控等。卷柔新技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)生產(chǎn)線【sol-gel溶膠凝膠法鍍膜線】,這條生產(chǎn)線能夠生產(chǎn)全球先進(jìn)的減反射玻璃。鍍膜版面可達(dá)到2440*3660mm,玻璃厚度從0.3mm到12mm都可以,另外針對(duì)PC,PMMA方面的增透膜也具有量產(chǎn)生產(chǎn)能力。ARcoating減反膜基本接近無色,色彩還原性好,并且可以避免了磁控濺射的缺點(diǎn),鍍完增透膜后玻璃可以做熱彎處理和鋼化處理以及DIP打印處理。這個(gè)難度和具有很好的應(yīng)用性,新意突出,實(shí)用性突出,濕法鍍膜在價(jià)格方面也均優(yōu)于真空磁控的干法。
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上海卷柔科技以現(xiàn)代鍍膜技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)力,通過鍍膜設(shè)備、鍍膜加工、光學(xué)鍍膜產(chǎn)品服務(wù)于客戶,努力為客戶創(chuàng)造新的利潤空間和競爭優(yōu)勢,為中國的民族制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。