新智能涂层材料实现超疏水表面与可穿戴柔性传感功能的结合
2017-10-26 10:04:10
作者：本网整理 来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
近些年，超疏水表面因其优秀的疏水性能和广泛的应用前景，成为国内外研究的热点之一。
表面的疏水性能通常用表面与水静态的接触角和动态的滚动角描述。超疏水表面是指与水的接触角大于150°，而滚动角小于10°的表面，如生活中常见的荷叶和水黾科昆虫的腿部等。该特殊表面在日常生活和工业生产等领域都有着极其广阔的应用前景，如玻璃表面的防雾，交通指示灯的自清洁，船体表面的润滑，纺织品的防污、选择性吸收等。
人工制备超疏水表面虽然起步较晚，但发展迅速，有效的制备方法也越来越多，主要有模板法、静电纺丝法、相分离与自组装法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、水热法、化学沉积与电沉积法、纳米二氧化硅法、腐蚀法等。
就目前超疏水表面的制备和实际应用情况来看，稳定性、灵活性、实用性仍是急需解决的问题。此外，将超疏水材料与可穿戴柔性传感应用相结合的超疏水智能涂层未见报道。
近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的研究团队构筑了有多级微纳复合结构的多壁碳纳米管（MWCNT）/热塑性弹性体（TPE）复合超疏水智能涂层，该涂层同时兼具了超疏水和优异的应变感知性能，可有效地抵抗环境中水、酸液、碱液、汗液等的干扰。从研究结果来看，得益于复合涂层中梯度分布的TPE和稳定的微米孔-纳米突起复合结构，该多功能涂层既可以与柔性衬底（如柔性织物、聚酰亚胺、聚乙烯等）稳定结合，也可与刚性衬底（如玻璃、金属等）良好地结合，且符合Wenzel以及Cassie模型，具有非常稳定的超疏水性能（接触角~162°）。
图中（a）、（b）为多功能智能涂层表面形貌；（c）为水滴（~3mL）在未处理、碱、酸、紫外处理之后的智能涂层表面的光学照片；（d）为智能涂层截面的微观形貌
另一方面，多孔微纳复合结构赋予MEWCNT/TPE复合网络对拉伸、弯曲以及扭曲优秀的应变感知能力：实现了高灵敏度（GF：5.4~80），高分辨率（1°的弯曲），快速响应时间（<8ms），大应变范围（最大应变~76%、弯曲角度0°~140°，扭曲0-350radm-1）以及高稳定性（5000次大应变拉伸实验）。
图中（a）为多功能智能涂层对应变响应；（b）对不同频率动态响应；（c）响应时间；（d）循环测试；（e）水滴（~3mL）在延展的涂层表面光学照片
基于智能涂层的优异性能，研究团队实现了其多功能应用，如在复合材料中加入四氧化三铁（Fe3O4）纳米粒子构筑磁驱动“水黾”机器人；形成智能织物全范围实时监测人体动作等。研究结果对超疏水材料、智能材料与柔性智能系统领域有重要意义。相关研究成果发表在Advanced Materials上。
图中（a）、（b）真实水黾和“脚”上涂有多功能智能涂层的磁驱动“水黾”机器人；（c）防水智能传感衣物；（d）智能传感手套与防泼水能力
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