超滑表面的应用进展

MaterialSciences材料科学,2018,8(5),438-446PublishedOnlineMay2018inHans.://doi.org/10.12677/ms.2018.85049文章引用:贺胤,胡永茂,孙淑红,朱艳.超滑表面的应用进展[J].材料科学,2018,8(5):438-446.DOI:10.12677/ms.2018.85049ProgressontheApplicationofSlipperyLiquidInfusedPorousSurfaceYinHe1,YongmaoHu2,ShuhongSun1,YanZhu1*1KunmingUniversityofScienceandTechnology,KunmingYunnan2DaliUniversity,DaliYunnanReceived:Mar.20th,2018;accepted:Apr.30th,2018;published:May7th,2018AbstractTheslipperyliquidinfusedporoussurface,whichmimicsthestructureofNepenthes,hasawiderangeofapplicationinthefieldofself-cleaning,anti-bacterialanddragreduction.Inthispaper,therecentresearchprocessontheapplicationofslipperyliquidinfusedporoussurfaceandtheirdevelopmentprospectsarereviewed.KeywordsSLIPS,MicroandNanoStructures,Biomimetic超滑表面的应用进展贺胤1，胡永茂2，孙淑红1，朱艳1*1昆明理工大学，云南昆明2大理大学，云南大理收稿日期：2018年3月20日；录用日期：2018年4月30日；发布日期：2018年5月7日摘要模仿猪笼草结构的液体灌注型多孔超滑表面在自清洁、抗菌、减阻等领域具有广泛的应用前景，是目前仿生自清洁材料方向的研究热点。本文对近年来液体灌注型多孔超滑表面的应用领域进行了总结，并对液体灌注型多孔超滑表面的前景进行了展望。*通讯作者。贺胤等DOI:10.12677/ms.2018.85049439材料科学关键词液体灌注型多孔超滑表面，微纳结构，仿生Copyright©2018byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言猪笼草的捕虫笼内壁常年润湿，停于其上的昆虫由于无法落脚而滑入其中成为养分。受此启发，哈佛大学的JoannaAizenberg及其组员在2011年首次提出了液体灌注型多孔超滑表面(slipperyliquidinfusedporoussurface,SLIPS)(以下简称为超滑表面)的概念[1]。超滑表面不同于超疏水表面的气–液层，它通过在微纳结构中灌注各类润滑液获得光滑、连续且化学组分均匀的液–液表面[1]。该表面能够不被绝大多数液体所浸润，呈现出了极小的接触角后退角。并且表面的油膜显著降低了基体表面的粗糙度，减少了与外力接触时的摩擦力。同时，该表面的动态液体自修复层使得其使用寿命大大提高。这些优点使其在诸多领域拥有广泛的应用前景。本文简要介绍了超滑表面的构造准则及制备方法，详细综述了近年来超滑表面在各个领域的应用进展，并对其未来的发展进行了展望。2.超滑表面的构造准则JoannaAizenberg[1]总结了构造超滑表面所需遵循的三大条件：1)润滑液必须渗透进基底中并被牢牢锁住；2)润滑液能浸润基底材料，且与基底之间的化学亲和力必须大于测试液体与基底之间的化学亲和力；3)润滑液与测试液体互不相溶。满足条件1)需要基底拥有微米或纳米级的粗糙结构，提高比表面积以增加基底与润滑液之间的化学亲和力；满足条件2)需要润滑液的稳定性高、表面能低，一般选用全氟聚醚类润滑油，因为其拥有挥发性低、化学惰性强，受环境温度影响小等优点，能够在基底表面形成稳定的润滑油层。构造超滑表面的方法大致可以分为两类——自上至下型和自下至上型。第一类方法包括自组装[2]或喷涂、刷涂[3][4]等，在涂料中混入微米/纳米级TiO2、SiO2等颗粒以构造微纳结构，之后填充润滑油得到超滑表面，这一类方法的优势是可以无视基底的形状、大小，但存在着结合力较差的缺点；第二类方法则是直接在基底表面通过刻蚀[5]、打印[6]等手段构造微结构，并填充润滑油形成超滑表面，这一类方法得到的超滑表面大多结构稳定性高，耐用性强。3.超滑表面在自清洁领域的应用自清洁是超滑表面的主要功能，不同于超疏水表面直接与水滴接触的固-气Cassie-Baxter状态，超滑表面由流动的润滑油层作为接触液滴的界面，被疏液体不与固体结构直接接触，形成了特殊的液-液状态，液滴漂浮在润滑油表面，只需要一个很小的角度便能滑动滴落，同时带落附着其上的灰尘沙砾，能够有效防止表面污损粘连。另一方面，由于润滑油不与绝大多数液体相溶，故而可以排斥诸如咖啡、酱油、食用油、红酒等绝大多数污染物，起到了隔绝液体污染物的作用。OpenAccess贺胤等DOI:10.12677/ms.2018.85049440材料科学传统的超疏水材料由于本身特性的限制，面对低表面能液体时便束手无策，无法进行有效的隔绝。而NanWang等[7]以钢为基底构造超滑表面，实验证明，其表面能够有效防止煤油、己烷及咖啡等低表面能液体的浸润，同时还证明了不同液体在超滑表面的滑动速度与运动黏度系数成反比，而与液体的表面能、自重或者接触角无关(如图1)。YangWang等[8]利用溶胶-凝胶法在纳米复合材料表面构造出粗糙结构。实验证明不管是氯化铜等可溶物还是灰尘等不溶于水的杂质，都能在超滑表面被滚落的水滴带落。工业/生活用水中常常含有钙镁离子，长期使用下容易产生水垢堆积从而影响设备的导热，严重时甚至引起生产事故。Charpentier等[9]创造性地利用超滑表面来减少水垢的产生，实验表明与普通的不锈钢相比，灌注了离子液体(BMIm)的超滑表面，碳酸钙水垢的沉积率减少了18倍。超滑表面防止水垢沉积的原因在于，碳酸钙的生成需要一个固定成核点，而超滑表面的流动性抑制了碳酸根离子与钙离子直接与基底的接触，从而延缓了水垢的形成。4.超滑表面在抑菌(微生物)领域的应用传统的抑菌/防藻方法通过表面释放抗生素等抑菌剂或者在表面复合银离子实现抑菌作用，但释放的抑菌剂浓度会随时间流逝而降低，使得抑菌效果也逐步减弱；而借助化学基团进行抑菌处理的表面则会因为基体表面被细菌分泌物黏附或者周边蛋白质含量过高而逐渐失效；利用二氧化钛、硫化镉等半导体进行的抑菌反应则需要光线的照射，且反应前后会出现损耗，并且大部分对人体有一定的毒性。超滑表面则通过降低表面粗糙度，减小摩擦力的方法让细菌或藻类无处附着，减少了微生物的大规模繁殖。Figure1.Contactanglesof50mLdropletsonSLIPS.(a)Hexane(γ=18.6mNm−1,m=0.032g),(b)Kerosene(γ=24.5mNm−1,m=0.041g),(c)Water(γ=72.0mNm−1,m=0.050g),(d)Coffee(γ=~45.0mNm−1,m=0.051g).Thedropletsslidesmoothlywithoutwettingthesurface,thesampletiltangleis5˚,(e)SchematicdiagramoftheSLIPSstructure,(f)Therelationshipbetweenkinematicviscosityandslidingspeedat25˚C[7]图1.50mL液滴在超滑表面的接触角。(a)正己烷(γ=18.6mNm−1,m=0.032g)，(b)煤油(γ=24.5mNm−1,m=0.041g)，(c)水(γ=72.0mNm−1,m=0.050g)，(d)咖啡(γ=~45.0mNm−1,m=0.051g)。样品倾斜角5˚时，液滴能自由滑动且不浸润表面，(e)超滑表面结构示意图，(f)在25℃时运动粘度与滑动速度的关系[7]贺胤等DOI:10.12677/ms.2018.85049441材料科学Epstein及其团队[10]率先研究了超滑表面的抑菌特性。由于润滑油层的存在，超滑表面表现出了持续的动态特性，使得细菌微生物无法黏附其上，从而失去了大量繁殖形成菌落的可能，达到了抑菌效果。PengWang等人[11]系统研究了微米结构、纳米结构、微纳复合结构对超滑效果的影响，证明了均匀排布、起伏平缓的微米级结构在铝表面能构建出最稳定的超滑表面，并分别研究了在动静态海水环境下超滑表面的抗藻能力，由于水流剪切力的存在，藻类便无法依附于光滑平整的铝片表面，从而达到了防生物淤积的目的(如图2所示)。5.超滑表面在防冰冻霜冻领域的应用在自然环境中，水凝固成冰往往以一些微粒(烟尘、微生物、粉尘)作为晶核，而后围绕晶核生长出子晶直至各相连冰粒连接成一块完整的冰。具有荷叶效应的超疏水材料往往由微纳复合结构组成，这些粗糙结构能够降低冰粒的附着；但是，在高湿环境下，大量冰晶形成，这些粗糙结构反而容易引起晶核的堆积[12]，从而影响防冰冻的效果。超滑表面由于其低表面能、低粗糙度及化学均相的特性，一方面能降低过冷水的成核温度，另一方面能够减少各类粉尘及微生物的附着，在本质上减少了冰核的形成。从而降低了冰在高湿度环境下生成的速率，提高了冰冻附着的难度，从防凝核和防附着两方面保证了抗冰霜的效果。YongHanYeong及其团队[12]利用激光打印法在铝片表面构造出粗糙结构，使用倒膜法在PDMS上制备超滑表面。分别研究了灌注不同含量及不同黏度的润滑油对超滑表面防冰冻效果的影响。实验表明，同在微米级的粗糙度下，润滑油含量越高，防结冰性能越好。与不做处理的PDMS薄膜相比，添加了15wt.%润滑油的超滑表面只需约22%的力便能剥离冰块。相对的，润滑油黏度越高(1000cps)，防冰冻能力越强，使用寿命越长。Rykaczewski[13]通过模仿南美丛林中的箭毒蛙，借鉴其双层表皮能够同时分泌毒液和黏液的原理，设计出了能够自动释放防冻液的超滑表面。涂层分为上下两层，上层为多孔超疏水薄膜，下层为灯芯状的灌注了丙二醇防冻液的尼龙膜。上层的超疏水薄膜起到了降低冰晶生成附着的作用，使黏附的水滴能够及时滑落；当表面出现液体堆积或者霜冻渗透表面孔隙时，下层结构自动分泌出储存的防冻液，使得冰冻得以融化消散。Figure2.Surfacealgaecoverageafter3daysand10daysofuntreatedaluminumplateandtreatedSLIPSaluminumplatesoakedwithcultureliquid,(a)staticenvironment,(b)dynamicenvironment[11]图2.未处理铝板及超滑表面铝板浸泡培养液3天及10天后表面海藻覆盖率，(a)静态环境，(b)动态环境[11]贺胤等DOI:10.12677/ms.2018.85049442材料科学PhilseokKim等[14]利用电化学沉积法在铝表面制备了超滑表面，并对冰冻形成的原理进行了研究，他们揭示了水蒸气在超滑表面冷凝形成液滴滑落所需的最小半径，公式如下：()()()23224sincoscos1cos2cossinARACAADgθγθθπρθθα−=−+ARθθθ∆=−其中Aθ表示液滴的