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德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院:3D打印整體超疏水材料

3D打印前沿
2021
09/29
09:38
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來源:高分子科學(xué)前沿

超疏水材料具有很大的水接觸角(>150 °) 和極小的滾動角(<10°),, 因此在自清潔,、防腐蝕、抗粘附,、防冰霜等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景,。在材料表面涂覆超疏水涂層是一種常見的制備超疏水材料的方法。為實現(xiàn)超疏水性,,該涂層需要具有較低的表面能和精巧的微/納結(jié)構(gòu),。然而,這種高度粗糙的表面往往機械穩(wěn)定性差,,不耐磨損,,極大地限制了其實際應(yīng)用。一種有效的提高超疏水材料機械穩(wěn)定性的方法是將微/納結(jié)構(gòu)貫穿材料主體:當(dāng)材料表面被磨損時,暴露的部分仍然具有微/納粗糙結(jié)構(gòu),,以保持材料的超疏水性,。但是,這種整體超疏水材料通常通過擠出或澆筑法制備,,無法得到形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu),,限制了其性能和應(yīng)用。

為解決這一問題,,德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院董哲勤博士和Pavel Levkin教授近期開發(fā)了一種新型的3D打印整體超疏水材料的技術(shù),。該工作在前期研究基礎(chǔ)上( Nat Commun2021, 12, 247),將相分離機制引入DLP 3D打印過程,,通過調(diào)控聚合單體的疏水性和相分離動力學(xué),,得到了具有整體納米孔結(jié)構(gòu)的超疏水材料。由于3D打印技術(shù)的靈活性,,該技術(shù)能夠制備具有非常復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的整體超疏水材料 (圖1),。

圖1. 3D打印整體超疏水材料的工作機理

由于普通的接觸角測量法并不適用于3D物體表面潤濕性能的表征,研究者們對打印物體進(jìn)行了水滴黏附力的測試,。結(jié)果表明,,制備得到的3D整體超疏水材料表面對水滴表現(xiàn)出了極低的粘附力 (~ 3 μN),證明了其優(yōu)異的疏水性能(圖2),。


圖2. 3D打印整體超疏水材料的表征

研究者還對3D打印材料的機械穩(wěn)定性進(jìn)行了測試,。結(jié)果表明,3D打印得到的整體超疏水材料能夠在40次磨損后仍然能夠擁有高度粗糙的表面,,保持其對水滴的高接觸角和低滾動角,。與之相反,涂覆超疏水涂層的3D材料在多次磨損后喪失了其粗糙表面和超疏水性能 (圖3),。

圖3. 3D打印整體超疏水材料的機械穩(wěn)定性

此外,,研究者還展示了具有整體納米孔結(jié)構(gòu)的3D超疏水材料在油水分離和微流體器件中的應(yīng)用。由于納米孔結(jié)構(gòu)的滲透性,,該整體超疏水材料能夠在阻擋水滲透的同時吸附油污(圖4)或滲透氣體(圖5),,在膜分離、微流控,、三相反應(yīng)器等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值,。

圖4. 3D打印整體超疏水材料高效吸附油污

圖5. 3D打印超疏水微流控器件

相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Advanced Materials上。第一作者為卡爾斯魯厄理工學(xué)院博士后董哲勤博士,,通訊作者是德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院Pavel Levkin教授,。

全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106068




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