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【半導體材料】當微流控技術(shù)遇上神奇的超疏水材料
點(diǎn)擊量:1638 日期:2024-11-06 編輯:硅時(shí)代
超疏水表面材料以其對水的高度排斥性,不僅改變了我們對物質(zhì)與水之間相互作用的傳統認知,更在船舶浮力提升、管道運輸優(yōu)化、織物功能拓展以及微流體控制等多個(gè)領(lǐng)域展現出了驚人的潛力,當微流控技術(shù)遇上神奇的超疏水材料,又會(huì )產(chǎn)生怎樣的火花呢?
一、什么是超疏水材料?
當我們提及超疏水材料,首先映入腦海的往往是其在提高浮力方面的應用。傳統的疏水材料雖然能在一定程度上減少水與物體表面的接觸,但所產(chǎn)生的浮力有限,且制備工藝復雜、成本高昂,限制了其大規模的實(shí)際應用。然而,自然界中的水黽卻以其超凡的浮力能力為我們提供了靈感。
水黽,這種輕盈的水生昆蟲(chóng),能夠自如地在水面上行走而不下沉,其奧秘就在于其腿部上的超疏水結構。經(jīng)過(guò)深入研究,發(fā)現水黽腿表面定向排列著(zhù)微米級針狀剛毛,這些剛毛上又布滿(mǎn)了螺旋狀納米溝槽結構。這種獨特的復合二級納米結構不僅賦予了水黽腿超疏水性,還使其產(chǎn)生了高達自身重量52倍的浮力。
受此啟發(fā),科研團隊對水黽腿進(jìn)行了深刻細致的研究,并據此設計了新型超級浮力材料,研制的新型超級浮力材料,表面具有微納米結構,能夠改變船體與水的接觸狀態(tài),從而減小船體在水中所受阻力。這種微型船不僅能在水面自由漂浮,還能承載比自身最大排水量多50%的重量。這一成果無(wú)疑為船舶制造業(yè)帶來(lái)了新的革命,未來(lái)有望開(kāi)發(fā)出具有更強抗海水腐蝕能力的疏水船舶表面,以及減小潛水阻力、增加航行速度的潛艇殼體表面材料。
二、超疏水材料可以應用在哪些場(chǎng)景?
管道運輸
天然氣管道運輸作為陸上天然氣資源的主要輸送方式,其傳輸效率和安全性至關(guān)重要。然而,由于天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳和水等腐蝕性物質(zhì),管道容易發(fā)生各種腐蝕現象,導致傳輸效率降低。針對這一問(wèn)題,超疏水材料展現出了其獨特的優(yōu)勢。
有研究在鋁及其合金表面上制備了超疏水薄膜,顯著(zhù)提高了其防腐能力。還可以利用有機硅氧烷等混合液在天然氣管道內表面噴涂,制備出超疏水膜,進(jìn)一步增強了管道的耐腐蝕性能。此外,通過(guò)無(wú)序碳納米管與聚四氟乙烯的復合結構,也可以在基材鋁板表面形成超疏水PTFE膜。這種膜不僅具有優(yōu)異的防腐性能,還能有效減小天然氣在管道中的傳輸阻力,提高輸送效率。
在國外,許多鋁、鐵、碳鋼等金屬以及合金表面都會(huì )用超疏水膜來(lái)修飾,以提高其防腐蝕性。這一方法不僅適用于管道氣體運輸,還可廣泛應用于液體運輸減阻等方面。通過(guò)降低運輸能耗,提高輸送效率,超疏水材料在管道運輸領(lǐng)域的應用前景廣闊。
織物與過(guò)濾材料
超疏水材料在織物及過(guò)濾材料方面的應用同樣令人矚目。通過(guò)靜電紡絲法或在材料表面進(jìn)行處理,可以制備出具有超疏水性的各種微納米結構纖維。這類(lèi)纖維不僅具有優(yōu)異的防水性能,還可用于制造防水薄膜、疏水濾膜以及防水透氣薄膜等。
美國NANOTEX公司采用納米技術(shù)開(kāi)發(fā)的Nano-care功能型面料,德國巴斯夫公司開(kāi)發(fā)的具有超疏水自清潔功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料,都是超疏水材料在織物領(lǐng)域的杰出應用。此外,上海名列化工科技有限公司開(kāi)發(fā)的MLCF系列多孔薄膜,則利用PTFE、PVDF等低表面能材料作為基材,通過(guò)熱覆及相轉化法制成。這種薄膜的纖維結構呈納米級的超細亂纖排布,不僅具有優(yōu)異的超疏水性能,還可應用于空氣凈化、油脂類(lèi)凈化過(guò)濾以及制藥過(guò)程中的液體和膠體過(guò)濾等方面。
超疏水材料在超細纖維制備、現有纖維或織物的超疏水處理以及制備分子級的纖維疏水過(guò)濾材料等方面都有十分廣泛的應用。這些應用不僅拓展了纖維及紡織領(lǐng)域的功能,還推動(dòng)了該領(lǐng)域的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)升級。
微流體控制
超疏水材料表面所具有的不浸潤性及低表面粘滯力,使其在微流體控制應用方面同樣表現出色。通過(guò)控制微液滴的運動(dòng)和流動(dòng),可以制造微液滴控制針頭,實(shí)現對液體滴加計量的精確控制。這種技術(shù)不僅適用于實(shí)驗室中的精確添加試劑,還可應用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液體計量。
如果將這類(lèi)技術(shù)運用到靜電噴涂領(lǐng)域,比如用超疏水材料制造噴漆噴膠等的噴頭,將會(huì )使噴涂的液滴更加均勻,霧化效果更好。這對于對噴涂效果有特殊要求的場(chǎng)合來(lái)說(shuō),無(wú)疑是一個(gè)巨大的福音。此外,如果以這類(lèi)材料制作毛細管類(lèi)的材料,將會(huì )使液滴的虹吸量更少,從而可以制造體積更小、精密度更高的液體傳輸設備。這些應用不僅提高了微流體控制的精度和效率,還為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng )新提供了新的思路和方法。
超疏水表面材料以其獨特的性能和應用前景,正在逐步改變我們的生活和生產(chǎn)方式。從提高船舶浮力到優(yōu)化管道運輸,從拓展織物功能到精準操控微流體,超疏水材料正以其無(wú)限的潛力引領(lǐng)著(zhù)科技的新紀元。