欧美色盟,色婷婷AV一区二区三区之红樱桃,亚洲精品无码一区二区三区网雨,中国精品视频一区二区三区

歡迎來到化學(xué)加！萃聚英才，共享化學(xué)！化學(xué)加，加您更精彩！客服熱線：400-8383-509
  1. 首頁
  2. 資訊

Adv. Funct. Mater.: 用于大規(guī)模集水的仿生堅固超細(xì)纖維

來源：化學(xué)加原創(chuàng)      2023-09-12
導(dǎo)讀：近日，北京航空航天大學(xué)鄭詠梅教授團隊為了進一步增強集水能力，通過簡單的涂層方法結(jié)合裂紋調(diào)節(jié)連續(xù)制備了仿生螺旋槽改性紡錘結(jié)(helical-groove-modified spindle-knot, HSK)微纖維。通過調(diào)節(jié)涂層溶液的拉伸速度和濃度可以精確控制形成和形態(tài)。與光滑紡錘結(jié)微纖維相比，HSK表現(xiàn)出更高的潤濕速度、液滴生長速率和懸掛能力，這歸因于獨特的螺旋路徑帶來了毛細(xì)管力差異，并為水收集行為提供了額外的三相接觸線長度。最大液滴體積幾乎是微纖維結(jié)的2114倍，與之前的報道相比是最高的。此外，HSK超細(xì)纖維還具有可修復(fù)的潤濕性、長期的耐用性、優(yōu)異的機械性能和柔韌性，在大規(guī)模集水應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。該研究以題為“Bioinspired Robust Helical-Groove Spindle-Knot Microfibers for Large-Scale Water Collection”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。文章鏈接DOI: 10.1002/adfm.202305244。
image.png

(圖片來源：Adv. Funct. Mater.)

正文

受螺旋結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，HSK微纖維的制備方法是將自制的PI微纖維涂覆到鈦酸鹽溶膠-凝膠溶液中，形成由于瑞利不穩(wěn)定性而形成的SK，并結(jié)合現(xiàn)場干燥過程和隨后的熱處理。整個過程如圖1a所示。PI聚合物微纖維是通過作者自制的微流控裝置進行溶劑交換而制備的。對微纖維施加一定的拉伸速度，驅(qū)動其通過涂層溶液和隨后的熱通道，最后將微纖維收集在玻璃瓶卷繞機上(圖1b)。在熱通道中，溶劑蒸發(fā)，形成的SK固化，而螺旋裂紋在拉伸應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下自然擴展。然后將纏繞機放入250 ℃的烘箱中，使溶膠-凝膠溶液中的模板劑進一步分解成無定形碳，沉積在界面處并牢固地釘在微纖維上。因此，通過簡單的涂層工藝與熱處理相結(jié)合，作者成功地制造了所需的HSK微纖維。圖1c中的SEM圖像顯示HSK沿著纖維以相同的間隔分布，形態(tài)規(guī)則。放大圖像(圖1d)顯示SK具有光滑的表面，凹槽的寬度約為幾微米，并且在整個裂紋軌道上寬度略有增加。圖1e-g的能量色散X-射線元素映射在接縫區(qū)域顯示出很強的C元素強度，表明接縫處幾乎沒有二氧化鈦，并且PI纖維幾乎完全暴露。這些表明成功制造了具有復(fù)雜螺旋結(jié)構(gòu)改性結(jié)表面的大規(guī)模且耐用的仿生微纖維，從而可以成為實際應(yīng)用中高效集水的候選者。
image.png

圖1. 螺旋槽主軸結(jié)微纖維的制備

圖片來源：Adv. Funct. Mater.

為了獲得穩(wěn)定可控的HSK微纖維，并進一步獲得水收集的最佳條件，作者探討了制造參數(shù)對結(jié)形態(tài)的影響(圖2a)。由于SK上的軸向應(yīng)力對于螺旋槽的形成至關(guān)重要，而不是由非方向熱應(yīng)力主導(dǎo)的隨機斷裂，因此揭示了可提供軸向應(yīng)力的拉拔工藝的影響。如果沒有沿軸向方向的拉拔力，即拉拔速度為零或負(fù)值，SK 將保持光滑，不會出現(xiàn)螺旋裂紋。這可以歸因于芯部PI纖維是可拉伸的，并且沒有軸向拉應(yīng)力，結(jié)上的熱應(yīng)變能將隨著超細(xì)纖維的彈性變形立即釋放。圖2b、c顯示，隨著拉拔速度的增加，結(jié)間距顯著增加，而尺寸(高度和長度)略有增加，這可能是由瑞利不穩(wěn)定性引起的。由于結(jié)的間距對于集水能力至關(guān)重要，作者選擇間距最接近且結(jié)數(shù)最多的HSK微纖維進行下一步研究。
除軸向應(yīng)力的影響外，螺旋裂紋的擴展與SK的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過調(diào)節(jié)涂層溶液中P123的濃度，可以輕松控制由瑞利不穩(wěn)定性自發(fā)形成的SK的尺寸。圖2d、e顯示，當(dāng)濃度增加時，主軸高度和長度變大。且螺旋線圈的數(shù)量隨著濃度的增加呈現(xiàn)負(fù)趨勢(圖2f)。SK的尺寸和螺旋槽的形態(tài)共同影響TCL的長度，這主要決定水滴在SK上凝聚時的懸掛能力。因此，通過調(diào)整HSK的形態(tài)，可以調(diào)整TCL的長度。下一步研究選擇0.025 wt%的濃度，因為它提供了TCL的最佳長度。
image.png

圖2. 通過制備參數(shù)控制結(jié)的大小(高度和長度)、間距和螺旋形貌

圖片來源：Adv. Funct. Mater.

為了評估SKs螺旋槽對水收集的影響，作者分別將HSK和SK超細(xì)纖維固定在霧流中作為模擬霧環(huán)境。圖3a顯示了HSK和SK超細(xì)纖維在20 g S?1m?2的溫和霧流中的水捕獲過程的微觀光學(xué)圖像。在霧流啟動過程中，微小的液滴在任意位置被親水性超細(xì)纖維捕獲。聚集的大液滴不斷增長，直到形成并分離一個關(guān)鍵液滴(圖3b)，完成一個捕獲-合并-分離循環(huán)。圖3c顯示，懸浮在HSK上的液滴的最大體積平均為5.2 μL，幾乎是SKs的1.5倍。HSK纖維20個循環(huán)的最大體積保持在4.8~5.8 μL之間，說明HSK纖維的懸垂性是穩(wěn)定的。上述結(jié)果表明，HSK有利于液滴的聚集和生長，具有巨大的懸浮力、良好的捕集效率和良好的穩(wěn)定性，這可能是由于復(fù)雜螺旋通道的附加毛細(xì)管力和較大比表面積較長的TCL所致。
image.png

圖3. HSK超細(xì)纖維的集水能力

圖片來源：Adv. Funct. Mater.

為了揭示毛細(xì)管力的影響，作者詳細(xì)觀察了聚結(jié)液滴的形成。在高倍光學(xué)顯微鏡下，HSK光纖被放置在相當(dāng)微小的霧流中。如圖4a所示，由于二氧化鈦具有良好的親水性，引發(fā)劑捕獲的液滴在極短的時間內(nèi)進入相鄰的凹槽形成水柱。在1 s之后，水柱尖端在毛細(xì)管力的作用下沿著螺旋槽通過，然后占據(jù)整個HSK形成一層水膜，意味著HSK完全濕潤。在螺旋槽的毛細(xì)管力的推動下，HSK兩端捕獲的液滴被推向相反的方向，大大加快了潤濕過程(圖4b-c)。
image.png

圖4. HSK超細(xì)纖維水運行為詳解及集水機理圖解

圖片來源：Adv. Funct. Mater.

此外，作者還利用不同數(shù)量的超細(xì)纖維制作了蜘蛛網(wǎng)的集水裝置，以滿足大規(guī)模集水的需要。纖網(wǎng)圖案和集水的光學(xué)示意圖如圖5a，b所示。纖維在纖網(wǎng)的交叉處交叉編織，展示了網(wǎng)絡(luò)形狀的編織靈活性，可用于可能的實際應(yīng)用。堅固柔韌的HSK超細(xì)纖維確保了出色的集水能力。涂層和熱處理后的力學(xué)性能如圖5c所示，HSK纖維的拉伸強度幾乎為137 MPa。此外，HSK和SK都具有一定的抗脆性，抗壓強度基本相同。打結(jié)實驗(圖5d)證實了HSK纖維的優(yōu)良柔韌性。上述結(jié)果表明，涂層和熱處理后的復(fù)合材料的力學(xué)性能下降不大，在集水應(yīng)用中仍是值得注意的。圖5f顯示了懸掛性相對于結(jié)子大小的突出的集水性能。這些優(yōu)異的性能為集水器的應(yīng)用領(lǐng)域提供了巨大的潛力。
image.png

圖5. HSK超細(xì)纖維的集水與力學(xué)性能

圖片來源：Adv. Funct. Mater.

總結(jié)

北京航空航天大學(xué)鄭詠梅教授團隊首次采用表面規(guī)則裂紋控制方法制備了集水用HSK超細(xì)纖維。通過精確改變涂層溶液的拉拔速度和濃度，可以調(diào)整螺旋的形狀以及SKs的大小和間距。螺旋狀的微結(jié)構(gòu)完美地解決了集水用人造蜘蛛絲的多重表面改性問題，大大優(yōu)于以往的設(shè)計。與光滑的SK超細(xì)纖維相比，HSK超細(xì)纖維具有更好的潤濕速度、液滴生長速率和懸掛性。HSK的最大液滴體積幾乎是普通SKs的2114倍，獨特的通道結(jié)構(gòu)所提供的毛細(xì)管力差在超高速潤濕過程中起著至關(guān)重要的作用，使液滴高效生長。同時，較大的螺旋槽比表面積增加了液滴在微細(xì)纖維上懸浮時的TCL長度，從而提高了微細(xì)纖維的懸浮力。此外，HSK超細(xì)纖維具有可修復(fù)的親水性、耐用性、優(yōu)異的力學(xué)性能和編織彈性，顯示出巨大的大規(guī)模集水潛力。

文獻詳情：

Shaomin Wang, Lingmei Zhu, Dongdong Yu, Xuefeng Han, Lieshuang Zhong, Yongping Hou, Yongmei Zheng*. Bioinspired Robust Helical-Groove Spindle-Knot Microfibers for Large-Scale Water Collection. Adv. Funct. Mater. 2023. https://doi.org/10.1002/adfm.202305244

image.png

              長按或掃一掃左側(cè)二維碼查看原文


聲明：化學(xué)加刊發(fā)或者轉(zhuǎn)載此文只是出于傳遞、分享更多信息之目的，并不意味認(rèn)同其觀點或證實其描述。若有來源標(biāo)注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將及時更正、刪除，謝謝。 電話：18676881059，郵箱：gongjian@huaxuejia.cn