大连理工大学刘新教授、宋金龙研究员团队 AFM：超疏水超弹性薄膜的制备及能量收集

2024-03-26 来源：高分子科技

尽管仿荷叶超疏水表面因其独特润湿性在多个领域具有潜在应用价值，但大部分超疏水表面的柔韧性较低，在基体遭受较大形变时，表面微结构难以维持，导致超疏水性丧失，限制了其应用。为解决此问题，柔性超疏水薄膜被广泛提出，而现有的柔性超疏水薄膜常采用PDMS、PTFE等材料为基体，通过在其上直接构建微结构或涂覆超疏水涂层来获得超疏水性，但形变能力不够理想且涂层与基体结合强度过低，易被破坏。

日前，大连理工大学刘新教授与宋金龙研究员团队提出了利用激光刻蚀技术加工出的微锥孔阵列为模具，通过复制成型技术制备出超疏水超弹性薄膜。通过优化设计模具参数后，实现了在不破坏模具和膜的条件下从模具上直接保持完整性撕膜，降低了成本，提高了加工效率。此外，超疏水超弹性薄膜可与电磁系统结合，进而实现雨滴能量的收集和转化。相关工作以“Fabrication and Energy Collection of Superhydrophobic Ultra-Stretchable Film”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。博士生张嘉豪为第一作者、博士生陈阳为共同第一作者，宋金龙研究员和刘新教授为论文通讯作者。超疏水超弹性薄膜的制备过程如图1所示。首先，利用纳秒激光系统获得带微锥孔阵列的铝模具。然后，通过匀胶机将按比例配制的硫化天然乳胶和硅丙乳液的混合液均匀涂覆在模具上。最后，经烘干、脱模、低表面能修饰获得超疏水超弹性薄膜。同时，探究了微锥孔尺寸对薄膜的脱模性能、微观形貌及表面润湿性的影响，如图2所示。结果表明微锥孔直径和间距均为0.1 mm的模具所得到的薄膜具有优异的超疏水性，水滴在其上的接触角为162°、滚动角为5°。

图1. 超疏水超弹性薄膜的制备过程示意图。

图2. 微锥孔尺寸对薄膜的脱模性能、微观形貌及表面润湿性的影响。不同微锥孔尺寸对应薄膜的手工脱模过程：（a）无微锥孔，（d）0.1 mm微锥孔，（g）0.6 mm微锥孔；不同微锥孔尺寸薄膜的SEM图像：（b）无微锥孔，（e）0.1 mm微锥孔，（i）0.6 mm微锥孔；水滴在不同微锥孔尺寸对应薄膜上的接触角：（c）无微锥孔，（f）0.1 mm微锥孔，（j）0.6 mm微锥孔；（h）化学刻蚀脱模过程。

通过拉伸试验对超疏水超弹性薄膜的力学性能和润湿性进行测试。结果表明超疏水超弹性薄膜具有优异的拉伸性能，其断后伸长率高达730%。在500%应变或最大应变300%循环拉伸300次的条件下，仍能保持良好的超疏水性，如图3所示。此外，通过液滴撞击试验进一步对薄膜的弹性进行测试。结果显示滴落在超疏水超弹性薄膜上的水滴可在撞击表面后迅速弹离，而滴落在普通薄膜上的水滴则粘附在其表面，导致水滴聚集进而减小薄膜的振动幅度，如图4所示。

图3. 超疏水超弹性薄膜的拉伸性能测试：（a）不同应变下的薄膜；（b）水滴在薄膜表面的接触角随应变的变化；（c）不同锥柱底端直径下薄膜的力-应变曲线；（d）不同锥柱底端间距下薄膜的力-应变曲线；（e）水滴在薄膜表面接触角和滚动角随拉伸循环次数的变化，最大应变约为 300%。

图4. 水滴撞击超疏水超弹性薄膜和普通薄膜的过程：（a）58.2 μL水滴从50 cm高处落下并撞击超疏水超弹性薄膜和普通薄膜的过程；（b）不同水滴体积下两种薄膜的振幅随水滴释放高度的变化；（c）水滴以3 mL/min的流量从50 cm的高度下落并撞击超疏水超弹性薄膜和普通薄膜50 s后的变化过程；（d）不同薄膜的振幅随水滴下落时间的变化。

如何实现雨滴能量的高效利用一直是可再生能量开发过程中亟待解决的问题。基于所制备超疏水超弹性薄膜的优异性能，结合电磁系统设计了一种超疏水超弹性薄膜-磁电发生器（SFMEG），滴落在超疏水超弹性薄膜表面的水滴可快速弹离并引起薄膜振动，带动粘附在薄膜下表面的线圈与磁铁相对运动，从而实现电磁发电。系统地分析了磁场强度（B）、水滴初始高度（h）、水滴体积（V）、线圈与磁铁间距（d）、水滴流量（ω）等不同参数对SFMEG发电性能的影响，如图5所示。通过串联外部电阻检测有负载情况下SFMEG的输出特性，结果显示当外接负载电阻从10 Ω增大到2020 Ω时，外接电阻两端的电压从0.03 V增大到0.22 V，表明SFMEG具有良好的输出特性。同时，合理控制负载阻值有利用提高发电机输出功率，如在负载阻值51 Ω时输出功率达到最大211.3 μW。此外，在模拟降雨持续激励下，SFMEG 可间歇性点亮发光二极管，如图6所示。

图5. 超疏水超弹性薄膜-磁电发生器以及水滴撞击试验的输出特性。（a）SFMEG的原理图，它由五个部分组成：超疏水超弹性薄膜、导电线圈、磁铁、亚克力管和泡沫底座；（b）SFMEG的实物图像；（c）不同磁场强度下SFMEG的电流响应随时间的变化；图（f）是由图（c）得出的输出电流峰值统计结果。（d）不同水滴释放高度下SFMEG的电流响应随时间的变化。图（g）是由图（d）得出的输出电流峰值统计结果。（e）不同体积水滴落在SFMEG上时电流响应随时间的变化。图（h）是由图（e）得出的输出电流峰值统计结果。

图6. 不同负载情况下SFMEG的输出性能：（a）负载电压和（b）负载功率随外接电阻的变化；（c）SFMEG在模拟降雨激励下可点亮发光二极管。

以硫化天然乳胶为原材料，通过简单的模具复制成型技术制备了一种具有优异拉伸性能的超疏水超弹性薄膜。探究了不同模具参数对薄膜脱模性能、微观形貌、表面润湿性的影响，通过一系列试验对超疏水超弹性薄膜的力学性能和稳定性进行了测试。同时，将超疏水超弹性薄膜与电磁系统结合，增强和扩展了雨滴能量的收集和转化功能，为可再生能源的开发和利用创造了新的机会。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400024

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（责任编辑：xu）

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