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华南理工李红强和曾幸荣课题组JMCA:电热和光热的超疏水复合碳管薄膜实现快速融冰和可控驱动

【引言】

超疏水材料由于其独特的润湿性在自清洁、防雾、防覆冰、防腐蚀及油水分离等领域有着重要的应用前景。冰雪作为一种常见的自然天气,在室外建筑材料的表面附着和积累给人们的日常生活、工业生产以及交通运输带来了很大的不便,特别是覆冰对电力输送和工业设备的破坏,导致输电线路中断和卫星天线信号变差或无法工作。研究表明超疏水涂层表面的液滴处于Cassie-Baxter状态,当表面倾斜时,接触的水滴在结冰前就会发生滚落,可有效延长结冰时间。然而随时间的进一步增加,超疏水表面仍然会部分结冰,并未从根本上解决结冰问题。导电超疏水薄膜将材料的电热性能和超疏水性能有效结合在一起,被认为是融冰除冰的有效方法,但涂层超疏水性能和导电性能的不稳定性使其难以得到实际应用。

近年来,微驱动器因在机械装置、自动化系统、传感器、芯片系统和机器人等领域的重要应用前景而受到科研工作者的广泛研究。在众多驱动方式中,光驱动具有安全有效、绿色环保、可实现远程操纵等优点。根据马兰戈尼效应,表面张力大的液体对其周围张力小的液体有较强的拉力,可使液体从表面张力低向高的方向流动。基于此,当用光辐射漂浮物体的某个位置时,该位置温度升高且表面张力降低,使物体自发移向高表面张力区域。但光驱动器在液体表面运动的阻力较大,存在驱动速度缓慢、驱动方向难以准确控制等缺点。

【成果简介】

最近,华南理工大学李红强副教授和曾幸荣教授课题组(第一作者为博士生苏晓竞)在国际著名期刊Journal of Materials Chemistry A 上发表了题为“Vacuum-assisted layer-by-layer superhydrophobic carbon nanotubes films with electrothermal and photothermal effects for deicing and controllable manipulation”的论文。文中采用真空协助的层层自组装法制备了羧基化碳纳米管(MWCNTs-COOH)和氨基化碳纳米管(MWCNTs-NH2)的复合薄膜((MWCNTs-COOH/MWCNTs-NH2)n),并用热压法将热处理后的薄膜转移至涂有乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)的基底上,再采用十八胺对薄膜表面进行改性,成功制得具有电热和光热效应的超疏水复合碳管薄膜。该薄膜表面呈现大量均匀分布的微米级突起,接触角达165°,且薄膜各层碳管间以酰胺共价键连接,对溶剂、温度及水滴冲击有较强的稳定性。

研究发现,超疏水复合碳管薄膜具有优异的电热效应和光热效应。对其施加30V的直流电压,复合碳管薄膜的表面温度快速升至60℃,使覆盖在表面的冰块形成一层水层。由于超疏水表面水滴的不粘附性,水层在34s内即可推动冰块从表面快速滑落;而未施加电压的薄膜在2min后也未能使表面冰块融化而滑落。此外,采用2W/cm2的近红外光辐射漂浮在水面上的超疏水复合碳管薄膜,其表面温度在30s时升至60℃,热量快速有效地传递给辐射位置附近的水,使水的表面张力降低。结合超疏水薄膜在水面上的减阻现象,由光热效应引起的表面张力梯度可以有效驱动漂浮复合碳管薄膜的直线、曲线及旋转运动。这种驱动具有简单易行、光源种类多、可远程操纵、驱动速度快、驱动路径可控等优点。

【图文解析】
华南理工李红强和曾幸荣课题组JMCA:电热和光热的超疏水复合碳管薄膜实现快速融冰和可控驱动                                                           图1.多功能超疏水复合碳管薄膜的制备示意图。华南理工李红强和曾幸荣课题组JMCA:电热和光热的超疏水复合碳管薄膜实现快速融冰和可控驱动图2. (a)(b)超疏水复合碳管薄膜表面、(c)滤膜表面、(d)超疏水复合碳管薄膜截面的SEM图;超疏水复合碳管薄膜表面(e) C、(f) N和(g) O的元素分布图;超疏水复合碳管薄膜表面的(h) XPS总谱、(i) XPS C 1s谱图和(j) XPS N 1s谱图;水滴在超疏水复合碳管薄膜表面的(k)数码照片和(k)动态弹跳过程。华南理工李红强和曾幸荣课题组JMCA:电热和光热的超疏水复合碳管薄膜实现快速融冰和可控驱动图3. (a)超疏水复合碳管薄膜的电热效应示意图;(b)超疏水复合碳管薄膜表面温度随通电时间的变化曲线;(c)在通电-不通电循环测试中表面温度随时间的变化曲线;水滴在(d)不施加电压和(e)施加电压的超疏水复合碳管薄膜表面上的变化过程;(f)不施加电压和(g)施加电压的超疏水复合碳管薄膜表面的融冰过程。华南理工李红强和曾幸荣课题组JMCA:电热和光热的超疏水复合碳管薄膜实现快速融冰和可控驱动图4. (a)漂浮在水表面和(b)空气中的超疏水复合碳管薄膜的表面温度随近红外光辐射时间的变化曲线;近红外光驱动的超疏水复合碳管玻璃的(c)直线和(d)曲线运动。华南理工李红强和曾幸荣课题组JMCA:电热和光热的超疏水复合碳管薄膜实现快速融冰和可控驱动图5. 超疏水复合碳管薄膜(a)在近红外光下的直线和曲线驱动示意图及(b)在聚焦太阳光下的旋转驱动示意图;(c)聚焦太阳光驱动的超疏水复合碳管玻璃的直线运动;聚焦太阳光驱动的超疏水复合碳管PET片的(d)直线和(e)旋转运动。

【结果与展望】

研究人员创造性提出了一种成本低廉、操作简单易行、绿色温和的方法制备层层组装的超疏水复合碳管薄膜。利用该复合碳管薄膜的电热效应和水滴不粘附性,薄膜在30V电压下于60s升温至60℃,使表面冰块快速形成水层并在34s时从表面滚落。更重要的是,结合光热效应引起的表面张力梯度和超疏水涂层在水面的减阻运动,复合碳管薄膜在近红外光和聚焦太阳光下成功实现直线、曲线和旋转运动。这种具有电热效应和光热效应的超疏水复合碳管薄膜在融冰除雪、防水电子器件、柔性传感器和微驱动器等新兴领域有广泛的应用前景。

Su X J, Li H Q, Lai X J, Yang Z P, Chen Z H, Wu W J, Zeng X R. Vacuum-assisted layer-by-layer superhydrophobic carbon nanotubes films with electrothermal and photothermal effects for deicing and controllable manipulation. Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA05273E.

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参考文献: Journal of Materials Chemistry A

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