通过相分离提高掺锌纳米粒子聚乙烯醇(PVA)涂层的抗菌性能

《Surfaces and Interfaces》:Enhancing Antibacterial Performance of ZnO Nanoparticle-Doped PVA Coatings via Phase Separation

【字体: 时间:2025年10月30日 来源:Surfaces and Interfaces 6.3

编辑推荐:

  雾中水滴高效收集与传输机制研究:采用双轴喷涂制备的大尺寸双层疏水-亲水复合涂层,通过树状亲水图案与超疏水区域的协同作用实现雾滴自发射和定向传输,弯曲轨道设计克服重力依赖并实现多位置储水,建立Wenzel到Cassie态转变的理论模型,显著提升沙漠地区雾水资源化效率与设备耐用性。

  
陈成|李金城|沈长林|陈少华|刘明
北京工业大学跨学科科学学院,北京,100081,中国

摘要

雾水收集是一种绿色且环保的缓解水资源短缺的策略,通过赋予微结构表面特殊的润湿性能可以很好地实现这一目标。然而,这种方法始终受到可制造表面尺寸较小和收集效率低的限制,或者受到耐久性差的阻碍。在这项研究中,采用了一种简单的双层喷涂方法制备了具有大尺度图案润湿性的双层涂层,该涂层集成了收集平台、弯曲轨道和储存区域。在收集平台上设计了一种亲水性树状图案及其周围的超疏水区域。在这种平台上,雾滴和大液滴都能被有效收集,而不会破坏超疏水性,同时利用重力辅助,从而实现了比现有文献更高的雾水收集效率。进一步建立了一个理论模型来揭示超疏水性在雾环境中保持有效的机制。此外,嵌入倾斜平面中的弯曲轨道可以将收集到的液滴转移到任何位置的储存区域。这种双层涂层的耐久性可长达数月。这样的设计可以为沙漠和干旱地区的淡水收集提供一个高效的原型。

引言

水收集在许多领域都有潜在的应用前景,特别是在极端缺水的情况下,如沙漠和沿海地区。利用具有特殊润湿性的微结构表面从雾中收集水是一种有效的策略,这一过程包括两个代表性阶段:捕获[1]和传输[2]。捕获阶段可以通过表面与液滴的直接接触实现,通常优先选择亲水表面[3,4]或液-液界面[5,6]。而传输阶段则更加多样化,在雾水收集效率中起着关键作用,因此受到了更多关注。
为了实现液滴的灵活传输,人们通过在超疏水基底[8]上制备不同的图案[7],例如楔形/树状图案[9,10]和润湿性梯度图案[7,11,12]或两者的组合[13,14],发现这些图案在雾水收集方面优于方形、圆形、点状或条纹状图案[15,16]。然而,这些制备的图案通常需要经过紫外线[10,17]、等离子体[18]或浸渍润滑剂[11,19]处理,但这些方法在短时间内就会失效。此外,当雾滴在微结构的间隙中凝结和聚集时,可能会无意中形成Wenzel状态,导致超疏水性或图案失效。因此,这些平台上的雾滴捕获和传输无法长时间保持有效性,从而限制了其应用场景。大多数报道的文献[[[20], [21], [22]]都忽略了这些缺点,因此迫切需要提高其耐久性。
此外,还提出了其他新型的组装结构来从雾中收集水,例如Janus膜[[23], [24], [25]]、具有润湿性图案的网格[26,27]、圆锥阵列结构[[28], [29], [30]]。与开放型微流控平台不同,这些组装结构大多是三维模型[31,32]而不是二维平面,因此这些结构中捕获的液滴传输主要依赖于重力,表面超疏水性或图案的失效很容易被掩盖。毫无疑问,许多微小的液滴由于重力可以忽略不计,会在传输阶段停留在初始成核位置,等待进一步凝结、蒸发,甚至被风吹走,这也降低了雾水收集的效率。
众所周知,由于制备技术成本高昂或复杂(如激光直写或烧结[33]、构建多层微结构阵列[12,24]以及在外部场中调节表面形态[20,34]),这些组装结构只能在小规模上制造。因此,如何实现大尺度的表面和高效率的雾水收集仍然是一个需要克服的挑战。
受到上述问题的启发,设计了一种由超疏水区和亲水区组成的双层集水表面,并且可以大规模制造。该表面包括一个收集平台、一个弯曲轨道和一个储存区域。整个雾水收集过程发生在收集平台上,落入超疏水区域微结构间隙中的雾滴可以自发地被弹出并迅速水平移动到亲水区域。从Wenzel状态到Cassie状态的液滴自发转变机制得到了理论上的解释。为了展示灵活的环境适应性和将收集到的水转移到任何位置的储存区域,弯曲轨道被制造在倾斜平面上。与现有方法相比,这种技术不仅可以实现更高的雾水收集效率,还可以提供更长的服务耐久性。

材料

有机硅树脂溶液(3600)由中国杭州万冠科技有限公司提供。丁酸丁酯溶液(纯度99%,A02008142)由中国安徽泽生科技有限公司提供。环氧树脂(SH-023)由中国湖北龙盛四海新材料有限公司提供。直径为20纳米的表面改性二氧化硅颗粒购自河南大学纳米材料工程研究中心。

形态、化学成分和润湿性的表征

为了实现不受重力影响的水平传输收集到的液滴,设计并在图2a中提供了具有大尺度图案润湿性的双层涂层,该涂层集成了收集平台、弯曲轨道和储存区域。在水平放置的收集平台上设计并制备了一种亲水性树状图案,该图案由一系列楔形图案及其周围的超疏水区域组成。

结论

通过简单的双层喷涂技术设计并制备了一种双层涂层,可用于高效收集雾水。该涂层分别包括收集平台、弯曲轨道和储存区域。雾中的雾滴可以在收集平台上被有效捕获并水平传输,而不会破坏超疏水性或依赖于重力。建立了一个理论模型来揭示从...

支持信息

超疏水区域的表面形态;亲水区域的表面形态;表面粗糙度和润湿性的变化;铁基底的表征;液滴从弯曲轨道脱离的俯视图;不同状态下的液体示意图;第一部分:双层涂层的最佳设计;第二部分:Wenzel状态和Cassie状态下液滴的能量差ΔG;(PDF)。
在整体和局部双层表面上进行的雾水收集

数据可用性声明

数据将根据请求提供。

作者贡献声明

陈成:方法论、数据管理、概念化。李金城:研究、形式分析。沈长林:方法论、可视化。陈少华:资金获取、项目管理、撰写-审稿与编辑。刘明:撰写-初稿、资金获取、概念化、撰写-审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(授权号:12472095, 12102041, 12293002)和航空科学基金(授权号:2024Z056072001, 20230054072017)的支持。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 急聘职位
  • 高薪职位

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号