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我校功能材料团队在超疏水表面研究方面取得系列进展

来源: 发布时间:2017-11-22 15:22:00 浏览次数: 【字体:

  启航网讯  由于独特的微纳结构及优异的斥水性能,超疏水表面在自清洁、微流体控制、固体润滑、减摩减阻、油水分离等方面表现出了十分美好的应用前景。然而,在推动其走向实际应用时,出现了一系列亟待解决的基础科学问题及关键技术。

  在国家国际合作专项(项目号:2012DFA51200)与国家自然科学基金(基金号:21203089、51263018、21103084)的支持下,我校以年轻博士欧军飞、王法军、薛名山等为学术骨干的功能材料研究团队,面向超疏水表面技术的实际应用,在飞行器/高压线路防覆冰、舰船防腐蚀、航天器防霉/菌等应用基础研究方面开展了深入系统的工作,取得了系列进展。最新研究成果已连续在国际主流学术期刊发表系列论文10余篇;其中,ACS AMI(SCI一区,IF=5.008)5篇,JPCC(SCI二区,IF=4.814)及APL(SCI二区,IF=3.794)各1篇。

   超疏水/油表面的制备。传统制备方法操作繁琐,经济成本很高,特别是所用糙化处理剂严重伤害环境。针对这些问题,以轻合金(铝合金、镁合金、钛合金)为研究对象,利用环境友好的水或稀H2O2溶液为糙化处理剂,加入低表面能物质,发展了一种新型的一步制备法,大大提高了超疏水表面制备过程的简便性和环保性(Ou Junfei et al, ACS AMI, 2013, 5, 3101;Ou Junfei et al, 2012, 4, 5737;Ou Junfei et al, ACS AMI, accepted)。相对于超疏水表面而言,超疏油表面对表面形貌与化学的要求更高,因而其制备方法更加复杂。以金属铜为研究对象,通过简单的“化学腐蚀/氧化—表面氟化处理”方法制备了具有较规整的微米/纳米复合结构的超疏油表面,进一步拓展了超疏表面的制备方法(Ou Junfei et al, ACS AMI, accepted)。

   超疏水表面的稳定性。稳定性是超疏水表面走向实际应用的前提和基础。通过在“轻合金基体/低表面能分子”界面引入共价键(如M-O-Si, M=Al/Mg/Ti),大大提高了超疏水表面在使用介质(如NaCl溶液)中的稳定性(Ou Junfei et al, ACS AMI, 2013, 5, 3101)。进一步发展了一种以聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)为组分的耐磨超疏水材料。此类超疏水材料将低表面物质(PTFE/ PVDF)融入到材料体相当中,通过简单的打磨处理即可完成粗糙化处理,将“超疏水”概念从“表面”拓展到“体相材料”,具有可重复使用、耐磨等特性(Wang Fajun et al, ACS AMI,in revision)。

   超疏水表面的示范性应用。结合国家海洋、航空及航天战略需求,对超疏水表面在防腐蚀、防覆冰、溢油回收等方面的示范性应用进行了探索研究。系统研究了表面粗糙结构、低表面能分子的化学构成、低表面能分子/基底界面的结合方式等因素与超疏水腐蚀防护性能的关系。进一步利用开尔文扫描探针技术对各种超疏水表面进行研究,建立了表面微纳结构及粗糙形貌与电子功函数的关系,为优化超疏水表面的抗蚀行为奠定了坚实基础(Xue Mingshan et al, J. Appl. Phys., 2012, 111, 123714;Xue Mingshan et al, Appl. Phys. Lett., 2013, 102, 243110)。利用显微装置原位观测了水滴在超疏水表面的结冰过程,发现超疏水表面能极大地延缓结冰时间,这些研究结果为进一步开发实用性的防冰材料提供了技术支持(Ou Junfei et al,submitted to ACS AMI)。开发了一种新型亲油疏水的半封闭型围油栏。海水溶液中的溢油一旦与围油栏接触,将迅速自动穿透围油栏孔隙并集中在围油栏中,而海水则可完全被排除在围油栏之外。集中的溢油可以非常方便地利用泵来回收,为解决海面溢油的污染问题提供了一种新思路(Wang Fajun et al, JPCC, accepted)。

   该团队上述研究工作也受到了省内各行业领域的广泛关注。相关公司企业积极响应,主动提出合作研究,开发实用超疏水涂层、材料,应用到其产品及实际生产上。目前,与昌河飞机制造公司联合申报的直升机防冰项目已为国家国防科工局批准(项目号:A0520132019;经费:800万元);与江西赣粤高速公路股份有限公司的横向合作课题路面防薄冰沥青涂料及技术已经签订合同(合同号:2012H0034;经费:65万);与江铃汽车股份有限公司合作的研发课题汽车用防霜/防雾/防汽玻璃涂层正在洽谈中。

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