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仿生材料的水下油接觸角源于自然的油水分離

更新時間:2025-10-21點擊次數:122

水下油接觸角的測試是評估仿生材料疏油性能的關鍵技術。通過接觸角測量儀,研究人員可以定量分析材料在水環境中的抗油黏附能力。測試結果通常顯示,高性能仿生材料的水下油接觸角可達160°以上。

例如,一項研究中,通過一步浸漬法將TiO2納米顆粒和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)原位固化到不銹鋼網上制備的超親水/水下超疏油油水分離膜,在水中油的接觸角達160°。測試過程不僅包括靜態接觸角的測量,還涉及動態接觸角分析,如滾動角的測定。殼聚糖/聚乙烯醇/SiO2納米顆粒涂層的水下油接觸角達到153.4°,滾動角約為3°,表現出低黏附水下超疏油特性。這種低粘附性意味著油滴在表面上極易滾動離開,是實現自清潔功能的關鍵。

先進的研究還會考察材料在不同環境條件下的穩定性,如在強酸、強堿和鹽水溶液中測試其接觸角的變化,以評估材料在復雜實際環境中的適用性。目前,研究人員已開發出多種類型的仿生超浸潤材料,主要包括超親水/水下超疏油材料和超疏水/超親油材料兩大類。

超親水/水下超疏油材料模仿了魚鱗的表面特性。這類材料通常由親水組分構成,如聚苯胺、殼聚糖等,并結合微納結構設計。TiO2納米顆粒是常用的微納結構構建單元,通過與聚合物協同作用,可在不銹鋼網等基底上構建穩定的超親水/水下超疏油表面。

超疏水/超親油材料則更多受到荷葉效應的啟發。這類材料通常通過構筑粗糙表面并結合低表面能物質修飾來實現。例如,通過電沉積法在銅網表面制備銅鍍層,然后經硬脂酸修飾制得具有仿生超疏水性能的濾網,其接觸角高達165°。制備這些材料的方法多種多樣,包括電沉積法、化學接枝法、一步浸漬法等。其中,電沉積-化學修飾協同工藝和化學接枝法能夠實現微納結構的精確調控,從而獲得性能優異的油水分離材料。

仿生超浸潤材料在油水分離領域展現出巨大的應用潛力。海洋溢油事故和工業含油廢水處理是對這類材料的迫切需求領域。具有超親水/水下超疏油特性的分離膜,如TiO2/PVP-SS膜,油水分離效率大于99.5%,膜通量可達8422.5L/(m2·h)。這種高效率和高通量使得快速處理大量含油廢水成為可能。

材料的長效穩定性和循環使用性是評估其實際應用價值的關鍵指標。研究表明,超疏水/親油復合陶瓷顆粒濾料(OFMSPsC)在經過10次循環使用后,分離效率仍維持在85%以上,而仿生超疏水銅網濾網反復使用15次后仍能達到90%以上的分離效率。除了油水分離,這類仿生材料在自清潔、防污、抗腐蝕 等領域也有廣泛的應用前景。例如,具有水下超疏油特性的透明涂層可用于太陽能電池蓋板、觸摸屏、玻璃、照相機鏡頭等,防止外界環境中的灰塵、油污和腐蝕性液體的污染。

研究人員曾開發出一種超疏水/親油復合陶瓷顆粒濾料,通過外磁場實現快速回收和重復使用,對多種油類污染物的分離效率超過93%,即使在強酸、強堿和機械磨損條件下仍保持穩定性能。從魚鱗到人工分離膜,從荷葉到自清潔表面,自然界的智慧正在被轉化為解決人類面臨環境挑戰的技術方案。


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