鲁东大学陈雪叶团队CEJ：3D打印制备高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜
鲁东大学陈雪叶团队CEJ：3D打印制备高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜
超疏水表面在液滴传输、传感器、微流控等领域具有广阔的应用前景。然而，大多数超疏水表面是在刚性基板或低变形的柔性基板上制造的。当发生变形时，超疏水性能难以保证，阻碍了超疏水表面的实际应用。此外，超疏水表面传统的制备方法所涉及的过程更加复杂且成本更高。因此，有必要开发一种简单且经济高效的方法来制备高度拉伸的超疏水膜。
近日，鲁东大学陈雪叶团队以2022级研究生张培华、2024级研究生江润鹏、2023级本科生李博源为共同第一作者，陈雪叶教授为通讯作者在国际高水平top期刊《Chemical Engineering Journal》（影响因子13.4，Q1区）发表名为“Fabrication and energy collection of PDMS/ dimethylsilicone oil superhydrophobic high tensile film”的论文。研究者利用3D打印模板法制备出具有高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜(Pdoshtf)。该制备方法过程简单、成本较低。
此外，通过BP神经网络预测了PDMS/二甲基硅油薄膜最大拉伸率与PDMS预聚物A、交联剂B、二甲基硅油不同配比的关系。得到最优配比为10:1:3.20。所制备的 Pdoshtf 表现出优异的拉伸性能和超疏水稳定性，断裂拉伸率为 300%，拉伸 250% 后仍能保持优异的超疏水性能。此外，落在 Pdoshtf 上的液滴会及时反弹，没有任何残留物，显示出优异的超疏水特性。最后，设计制备了一种由 Pdoshtf 和电磁系统组成的能量收集装置，该装置可以通过液滴和反弹来收集雨滴的能量。
图 1.Pdoshtf 的制备 a) 树脂模具的制备和硅烷化；b) 制备二氧化硅纳米颗粒的超疏水涂层；c) Pdoshtf 的制备; D) PDMS/二甲基硅油的合成机理和工作原理
图 2. 机器学习结果
图 3.Pdoshtf 的表面形貌和润湿性 a) Pdoshtf 的光学图像; b) Pdoshtf 的 SEM 图像; c) Pdoshtf 的接触角; d) 普通 PDMS 薄膜的光学图像; e) 普通 PDMS 超疏水薄膜的 SEM 图像; f) 普通 PDMS 薄膜的接触角
图 4.Pdoshtf 拉伸性能测试 a) 随着微米级圆柱形结构直径的增加，Pdoshtf 的接触角和滚动角发生变化; b) 高拉伸 PDMS/二甲基硅油超疏水膜的接触角和滚动角随微米级圆柱形结构高度的增加而变化; c) Pdoshtf 的接触角和滚动角随微米级圆柱形结构间隙的增加而变化 d) 液滴落在高拉伸 PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜上的光学照片，干燥液滴后，液滴呈球形; e) 落在应变范围为 0% 至 200% 的 Pdoshtf 上的液滴的光学图像; f) Pdoshtf 和普通 PDMS 薄膜的应力-应变曲线; g) 不同拉伸循环下 Pdoshtf 接触角的变化; h) 不同应变条件下Pdoshtf接触角的变化
图 5.材料的弯曲变形与接触角之间的关系 a) 材料向下弯曲 0.001386mm 时接触角的变化; b) 材料向下弯曲 0.104900mm 时接触角的变化; c) 材料向下弯曲 0.196580mm 时接触角的变化; d) 材料向下弯曲 0.217600mm 时接触角的变化; e) 材料向下弯曲 0.229400mm 时接触角的变化
图 6.液滴实验和模拟 a) 液滴滴落在 Pdoshtf 和 PDMS/二甲基硅油膜上的过程; b) 不同韦伯数下液滴的最大扩散半径和与表面完全分离的时间; c) 落在普通 PDMS 表面的液滴示意图; d) 液滴落在普通 PDMS 表面的模拟结果; e） 不同半径的液滴以不同的高度释放到普通 PDMS 的表面
图 7.Pdoshtf 磁电发电机和产生的电流的示意图; a) Pdoshtf 磁电发电机设计示意图; b) Pdoshtf 磁场切割发电示意图 c) Pdoshtf 物理装置的 3D 图纸和 2D 图纸; d) 在液滴下落所需的时间内产生电流的情况; e) 不同高度、速度、质量和体积的液滴落在Pdoshtf上以产生电流条件
本文提出一种3D打印模板法制备高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜，通过BP神经网络的到PDMS预聚物A、交联剂B、二甲基硅油的最优配比为10:1:3.20。通过此方法制备的薄膜具有优异的拉伸性能和超疏水性能。此外，将高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜与磁铁结合设计了一种能量收集装置，在雨水发电领域具有应用前景。