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受蚯蚓启发!东华大学郭颖教授、葛邓腾研究员:等离子体助推仿生纤维,提升超疏织物耐久性

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

超强防水和耐磨性织物在功能性服装、医用防护织物、油水分离等方面具有广泛的应用。通常超疏织物是在其表面涂覆一定粗糙度的低表面能薄膜制得,但是否可以经受严酷的洗涤循环仍是其应用和研究的重要挑战;目前,提高超疏织物的机械耐久性,主要是通过提高涂层硬度、强度以及涂层-纤维间的粘合力等强化的方法来实现,但仍然难以满足实际使用和工业生产的需求。

为应对这一挑战,近日东华大学郭颖教授和葛邓腾研究员受蚯蚓周期性皱皮结构和软体躯干的启发,提出了区别于以往强化策略的软材料策略,在纤维上构筑周期性褶皱,利用褶皱结构和软材料(PDMS)的可逆适应特性来应对超疏涂层的机械形变。研究团队实现超疏织物1000次摩擦循环(44.8 kPa)和800次标准洗涤后仍具有超疏特性,相关工作以“Earthworm-Inspired Ultradurable Superhydrophobic Fabrics from Adaptive Wrinkled Skin”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上(https://doi.org/10.1021/acsami.0c18528)。

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等离子体渐变交联实现纤维表面褶皱的构筑

通常褶皱可以通过形变结合表面硬化的工艺来实现,同样也可以利用类似的策略通过激光局部熔融、牵伸结合化学交联的工艺在纤维表面构筑褶皱,然而在工业应用中是难以在数百米长的连续纤维上构筑褶皱,此外也难以确保褶皱化纤维在纺纱织布工艺中不受破坏。从工业应用角度考虑,织物或者纺织品如能通过后道处理工艺直接使得织物上的纤维表面形成褶皱结构,这是最理想的工艺。

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研究团队基于前期在低温等离子体源及成膜的研究基础,开发了等离子体渐变交联技术,为后道处理纺织品获得褶皱化的仿生纤维提供了有力的技术基础。处理过程仅需两步:首先利用浸渍工艺在织物的纤维表面涂敷二甲基硅氧烷预聚体,之后利用优化的等离子体(RF-CCP)对织物进行处理。等离子体中活性粒子能够在二甲基硅氧烷预聚体浅层表面渗透并诱导产生功能性官能团,活性基团在低粘度的预聚体中具有自扩散特性,从而引发二甲基硅氧烷预聚体在厚度方向的渐变交联。从厚度方向的XPS成分和硬度均表明纤维表层的PDMS具有的渐变特征。因此,经过等离子处理后的PDMS包覆的PET纤维构成了“硬层-渐变层-刚性支撑层”的三层结构,同时等离子体的热效应使得具有梯度模量的PDMS表面失稳,同时受到纤维几何形态的约束,在纤维表面形成轴向周期性褶皱。

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该技术适用面广,对纤维、布、服装均可直接处理,文中展示了该技术直接对成品手套进行处理,获得了超疏手套。

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仿生超疏织物高耐久的力学机制

仿生超疏织物具有出色的洗涤耐久性和抗磨擦特性,经过800次标准洗涤循环后,仍保持超疏水性;即使经过1500个标准洗涤循环周期,接触角(WCA)仍高达145°,滚动角(SA)为20°,远远高于其他报道的无氟超疏织物,并且达到了含氟超疏织物报告的最佳值(800个洗涤周期)。

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仿生超疏织物具有优异洗涤性能的主要原因是其不同于均一膜的破坏模式。通常纤维表面均一膜的破坏模式是膜在纤维表面的剥离。而纤维表面褶皱化膜的破坏分为两步,首先是褶皱在初始阶段的可逆的平整化,之后是渐变膜受到剪切形变。从力学模拟结果,可以看出渐变膜主要是表层受到大的应力,而均一膜在膜内部及界面处的应力较大。实验结果也表明在大载荷的作用下渐变膜的破坏主要是表层,而均一膜的破坏是整个膜的剥离。不同的破坏模式造就了仿生织物在洗涤过程中优异的机械耐久性。

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仿生超疏织物的自修复特性

研究团队还发现仿生织物在加热或等离子再处理下具有超疏水的自修复特性。在渐变交联层未被破坏的情况下(如15.6 kPa,相当于手指触摸和摩擦压力的3倍)仿生织物在80℃/30min热处理后,WCA可以恢复到155°,SA恢复到10°,并且可以承受多达3000个摩擦循环。其修复主要是由于热引发的表面长链烷基迁移,从而一定程度的恢复褶皱结构。在PDMS层被破坏的情况下,纤维表面仍然包裹着低交联度的PDMS,可以通过等离子再处理再次获得渐变膜,从而恢复超疏特性,但是由于残存的低交联度的PDMS有限,只能进行有限次数的自修复。考虑到日常穿着织物大多承受轻负荷的摩擦,仿生超疏织物可以通过热烘干和熨烫恢复其超疏水性。

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致谢:本研究获得了东华大学俞建勇院士和宾夕法尼亚大学Shu Yang教授的指导。

原文链接

Liyun Xu# Lili Yang,# Shu Yang, Zhao Xu, Gaojian Lin, Jianjun Shi, Ruiyun Zhang, Jianyong Yu, Dengteng Ge,* Ying Guo,* Earthworm-Inspired Ultradurable Superhydrophobic Fabrics from Adaptive Wrinkled Skin. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, https://doi.org/10.1021/acsami.0c18528

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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