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(chǎng)干燥過(guò)程和隨后的熱處理。整個(gè)過(guò)程如圖1a所示。PI聚合物微纖維是通過(guò)作者自制的微流控裝置進(jìn)行溶劑交換而制備的。對(duì)微纖維施加一定的拉伸速度，驅(qū)動(dòng)其通過(guò)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(jī)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(kuò)展。然后將纏繞機(jī)放入250 ℃的烘箱中，使溶膠-凝膠溶液中的模板劑進(jìn)一步分解成無(wú)定形碳，沉積在界面處并牢固地釘在微纖維上。因此，通過(guò)簡(jiǎn)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(gè)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(qiáng)的C元素強(qiáng)度，表明接縫處幾乎沒(méi)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(shí)際應(yīng)用中高效集水的候選者。圖1. 螺旋槽主軸結(jié)微纖維的制備
圖片來(lái)源：Adv. Funct. Mater.
為了獲得穩(wěn)定可控的HSK微纖維，并進(jìn)一步獲得水收集的最佳條件，作者探討了制造參數(shù)對(duì)結(jié)形態(tài)的影響(圖2a)。由于SK上的軸向應(yīng)力對(duì)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(jī)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(méi)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(huì)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(méi)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(zhǎng)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(duì)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(jìn)行下一步研究。除軸向應(yīng)力的影響外，螺旋裂紋的擴(kuò)展與SK的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過(guò)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(shí)，主軸高度和長(zhǎng)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(shì)(圖2f)。SK的尺寸和螺旋槽的形態(tài)共同影響TCL的長(zhǎng)度，這主要決定水滴在SK上凝聚時(shí)的懸掛能力。因此，通過(guò)調(diào)整HSK的形態(tài)，可以調(diào)整TCL的長(zhǎng)度。下一步研究選擇0.025 wt%的濃度，因?yàn)樗峁┝薚CL的最佳長(zhǎng)度。圖2. 通過(guò)制備參數(shù)控制結(jié)的大小(高度和長(zhǎng)度)、間距和螺旋形貌
圖片來(lái)源：Adv. Funct. Mater.
為了評(píng)估SKs螺旋槽對(duì)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(guò)程的微觀光學(xué)圖像。在霧流啟動(dòng)過(guò)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(zhǎng)，直到形成并分離一個(gè)關(guān)鍵液滴(圖3b)，完成一個(gè)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(gè)循環(huán)的最大體積保持在4.8~5.8 μL之間，說(shuō)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(zhǎng)，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(zhǎng)的TCL所致。圖3. HSK超細(xì)纖維的集水能力
圖片來(lái)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(shí)間內(nèi)進(jìn)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(guò)，然后占據(jù)整個(gè)HSK形成一層水膜，意味著HSK完全濕潤(rùn)。在螺旋槽的毛細(xì)管力的推動(dòng)下，HSK兩端捕獲的液滴被推向相反的方向，大大加快了潤(rùn)濕過(guò)程(圖4b-c)。圖4. HSK超細(xì)纖維水運(yùn)行為詳解及集水機(jī)理圖解
圖片來(lái)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(shí)際應(yīng)用。堅(jiān)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(qiáng)度幾乎為137 MPa。此外，HSK和SK都具有一定的抗脆性，抗壓強(qiáng)度基本相同。打結(jié)實(shí)驗(yàn)(圖5d)證實(shí)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(duì)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。圖5. HSK超細(xì)纖維的集水與力學(xué)性能
圖片來(lái)源：Adv. Funct. Mater.
在線客服
快速發(fā)布
我的店鋪
我的化學(xué)加
我的消息
我要充值
回到頂部
