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【国外超疏水发展及军工领域的运用】

来源:未知 点击次数:119 发表时间:2018-07-24

超疏水材料技术是涉及生物、物理、化学以及材料等多学科交叉的前沿技术。21世纪以来,在表面科学、仿生学以及多领域学科的交叉融合推动下,新型超疏水材料层出不穷,其优秀的润湿特性和广泛的应用前景,引起了各国的广泛关注。2017年4月,在美国海军研究署等机构支持下,密歇根大学开发出新型自愈型超疏水涂层材料。该材料拥有百倍于同类涂料的耐久性,可为舰船、飞机和战车提供兼具耐久性的防水、防结冰、自清洁能力。


一、超疏水材料技术概述

超疏水性是一种特殊的润湿性,一般指水滴在固体表面呈球状,接触角大于150度,滚动角小于10度。材料表面能(材料表面分子比内部分子多出的能量)越低,疏水性越好,且当低表面能材料具有微观粗糙结构时,水滴与材料之间会形成一层空气膜,阻碍水对材料表面的润湿,从而形成超疏水状态。

构造超疏水表面有两种方法,一是在疏水材料表面上构建微观粗糙结构,二是用低表面能物质对微观粗糙表面进行改性。

材料的超疏水性越好,水滴在材料表面上越接近球形,与材料的接触面积越小,越易从材料表面滑落。此外,水滴在超疏水材料表面滚落时可带走污染物,使材料表面保持清洁。因此超疏水材料具有防水、防腐蚀、防冰以及防附着等多重特性。

二、国外超疏水材料技术进展

1. 多学科交叉融合成为超疏水材料技术发展的主要动力

自然界中的动植物表皮具有特殊的微观结构和特殊的润湿性能,为构造超疏水材料提供了启示,如模拟荷叶结构可以获得超疏水性能、模仿鲨鱼皮结构可以获得水下减阻性能等。仿生材料的研究,为超疏水材料的持续进步提供了动力。2017年5月,德国弗莱堡大学开发出一种具有多层结构的自愈型超疏水涂层。这种超疏水材料表面具有类似蛇褪去外皮的特性,可实现表面受损后超疏水性的自愈,为新型耐久自愈型超疏水材料的研发提供了新思路。此外,增材制造、材料计算与模拟仿真等技术的应用,大大简化了材料表面微结构的设计、构造与控制难度,使超疏水材料的制备快速精准,结构和性能可控,实现了材料制备工艺、结构、性能等参量或过程的定量描述,缩短了材料研制周期,降低了研发成本。

2. 耐久性突破推动超疏水材料迈向实用化

超疏水材料表面的微纳结构是决定其超疏水性的主要因素,而这种微观粗糙结构通常存在强度低、机械强度差、耐磨性差等问题,容易被外力破坏,导致超疏水性的丧失。另外,在一些场合或长期使用中,表面也可能被油性物质污染,导致疏水性变差。耐久性是长时间保持超疏水性的关键,也是制约超疏水材料实际应用的主要因素。提高超疏水材料耐久性的方法有增强材料表面的机械稳定性、提高材料表面的防油污性能、构造自修复超疏水材料等。

2017年4月,美国密歇根大学开发出由“氟化聚氨酯弹性体”和“F-POSS”疏水分子互溶形成的自愈型超疏水涂层材料。该材料类似橡胶的质感使其比以往的材料更有弹性,略微柔软的表面可有效降低表面受到物理损伤的概率。这种涂层具有化学自愈特性,当表面被磨损时,新的分子将自然地迁移到损伤处以实现自愈合。涂层拥有数百次损伤后自愈的能力,甚至可在被磨损、刮擦、烧烤、离子清洗、平整、超声处理和化学腐蚀后恢复性能。

3. 超疏水材料将向着多响应、可调控的智能化方向发展

目前,超疏水材料的研发已不局限于获得超疏水的单一性能,而是向着多响应、可调控的智能化方向发展。将材料表面的特殊润湿性,如超疏水、超亲水、超亲油、超疏油等,进行多元组合,从而实现智能化协同、可调控和相分离材料的制备,将极大拓展超疏水材料的应用范围,如利用具有超疏水和超疏油特性的超双疏材料可实现水性和油性液体的防护,利用超亲水/超疏油或超疏水/超亲油材料对油和水截然相反的润湿性可实现油水的分离。

2017年5月,美国莱斯大学研制出可用于超级电容器等电子元器件的激光诱导石墨烯材料。该材料在空气或氧气中具有超亲水性,而在氩气或氢气环境下则具有超疏水性,可通过控制气氛环境实现超疏水-超亲水的可逆调控。

三、国外超疏水材料在国防领域的应用
1. 应用于装备,提升装备的防腐蚀、防生物附着、防冰和自清洁能力

在防腐蚀方面,超疏水材料可以阻断水分与金属材质的接触,从而缓解舰艇水线以上部分的氧化腐蚀。2010年,美国海军在“麦克福尔”号驱逐舰上使用超疏水涂层材料保护舰船武器系统以及其他暴露在外的装备,防止这些系统和装备被盐雾锈蚀侵害。

在防生物附着方面,超疏水材料可以有效防止海洋生物在舰船表面的附着,可以作为舰船防污涂料。传统防污涂料依靠释放砷、铜、铅等金属离子杀死附着生物,超疏水材料则具有环保特性,可以减少有色金属的使用。

在防冰方面,超疏水涂层因具有能耗低、适用范围广、环境友好等优点而在航空、舰船、电力,通信、能源等领域的防结/覆冰雪方面显示出潜在的工程应用前景。2016年6月,美国莱斯大学研制出可高效防冰的石墨烯复合超疏水材料,当温度高于-14℃时,冰无法在材料表面凝结。利用石墨烯的导电特性,在更低温度下该材料可以通过电加热来防冰或除冰,只需施加12伏的电压就可使材料在-51℃低温下防结冰。

在自清洁方面,超疏水材料表面特殊微纳米结构使污染物在材料表面的附着力降低,同时,超疏水材料的防水特性可使表面的水滴滚落时带走污染物,保持材料表面的清洁。

2016年9月,美国橡树岭国家实验室开发出一种应用于玻璃材质,具有自清洁、抗光反射、防指纹及污渍特性的超疏水透明涂层,可广泛应用于电子设备显示屏、镜头、探测器等光电子设备的防护。

2. 应用于服装加工,提升人员防护能力

超疏水(超疏油)布料可应用于各类防水透气型工作服和新型生化防护服。例如,在执行任务过程中,空军飞行员、海军士兵和特种兵等突然浸没在冷水中会导致体温下降,是造成人员伤亡的主要因素之一。防水透气型服装已作为美军空军飞行员、船员和执行海陆空行动等特种兵的专用服装。该类服装在温度为20℃的冷水中,能提供高达24小时的保护作用,并且穿着轻便、舒适。防水透气织物的应用,不仅解决了透气和防水的矛盾,而且可以减轻雨衣的重量,从而有效减轻士兵的负荷量。

美空军研究实验室与国防部威胁降低局联合开展了相关项目的研究,并于201 0年开发出基于超双疏(超疏水和超疏油)布料的生化防护服。该服装具有自清洁性能,且可以避免危险化学品渗入,保护士兵不受生化武器威胁。

3. 其他创新应用方向

(1)提高电池效率及散热率。超疏水材料用于电池系统的电极隔膜,可将电解液和活性电极材料分隔开,防止副反应发生。2016年7月,德国亚琛工业大学和韩国首尔汉阳大学开发出新型纳米孔超疏水隔膜材料。使用这种新型超疏水隔膜后,电池能量转换效率达到85%,高于传统方法76%的转换效率。

超疏水涂层可以利用其疏水性提高散热效率。2016年3月,罗斯科学院热物理研究所开发出用于提高热交换设备散热效率的氟聚合物涂层制备技术。该技术涂层可促进液体蒸气在设备表面加速冷凝,散热效率要远远高于薄膜冷却法。同时,冷凝液形成的过程带走热量,形成的液体又用于新的散热循环。

(2)新型水上机器人。水黾具有独特的漂浮机制和高效的划水方式,在水面环境中能够低耗、低噪、高效、灵活地漂浮、划行和跳跃。水黾腿表面的微观多级结构具有超疏水性,可以支撑水黾在水面自由活动。近年来,越来越多的学者开始研究水黾独特的漂浮机制和高效的划水方式。

2015年8月,韩国首尔大学和美国哈佛大学共同研制出仿水黾机器人。该机器人与水黾大小一致,可在水面跳跃。在军事领域,水黾机器人可以作为微型侦察机器人,利用在水面快速灵活的运动特性执行特殊任务。

(3)定向集水。合理利用材料的超疏水性以及超亲水性,在指定区域赋予材料不同的润湿特性,可以用于在沙漠等干旱环境下作战时的饮用水收集,解决人员生存等问题。2016年6月,美国西北太平洋国家实验室研制出可实现水分逆向流动的碳纳米棒材料。这种材料可在低湿度空气环境中,将水蒸气转变成液态水并吸附在表面;在高湿度空气环境中,材料具有疏水性,且湿度越高,材料表面水滴蒸发越快。这种材料可以用在沙漠中取水;如果用在服装中,可以在高湿度环境中保持干燥舒爽。

(4)油水分离。在被油污染的水域获取水源,需要使用快速、高效的油水分离装置。近年来,材料表面的润湿性成为解决这个困难的关键,一旦材料展现出对油和水不同的润湿性,如超疏水-超亲油性、超亲水-超疏油性,则这种材料可用于实现油水分离。此外,油水分离器还可用于解决海洋石油泄漏等环境问题。

结束语

目前,超疏水材料技术正向智能化、可调控、多功能及高性能方向发展,在武器装备防护、能源及其他创新领域展现出广阔的应用前景。未来在多学科交叉融合发展的影响下,超疏水材料技术将与仿生技术、纳米技术以及材料计算技术等紧密结合,逐步突破机械性能与耐用性能的应用瓶颈,在众多领域发挥更大应用价值。

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