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镁合金腐蚀研究进展（43）-镁合金自清洁硅烷/聚丙烯复合涂层的耐腐蚀性研究
rczeng 2019-12-28 11:17
镁合金腐蚀研究进展（43）- 镁合金自清洁硅烷/聚丙烯复合涂层的耐腐蚀性研究 超疏水涂层通常由具有粗糙结构的内涂层和具有低表面能的外涂层组成。然而，两种涂层之间弱的界面粘合性限制了它们在更大范围内的使用。设计一体化的超疏水涂层可以改善超疏水涂层的稳定性和耐蚀性。 硅烷涂层因其具有环境友好型、低成本和制备简单的特性而被广泛用于防腐领域。硅烷分子结构式一般为:R-Si(OR) 3 ，有机硅烷水解产生的Si-OH可以进行自缩聚形成Si-O-Si网状结构，这种结构可以有效地保护镁合金。另一方面，R代表氨基、巯基、乙烯基及环氧基等基团,这些基团和不同的树脂均具有较强的反应能力。 聚丙烯（PP）具有高耐化学性和低透水率，它是最广泛使用的热塑性材料之一。聚丙烯可以阻碍氧气，水和腐蚀性离子的渗透进而保护金属基材。由于聚丙烯是非极性的，其在金属表面的附着力较差，将马来酸酐（MAH）接枝的聚丙烯（PP-g-MAH）添加到聚丙烯中将显着提高PP的附着能力。 在本工作中，采用浸渍法在硅烷、乙醇和超纯水的混合溶液中制备出硅烷涂层，再通过浸渍提拉法将硅烷涂层浸泡在聚丙烯溶液中成功合成了微米级球状结构的聚丙烯涂层。表面的微结构和低表面能的聚丙烯的协同作用使水滴在涂层表面处于Cassie模型状态。结果表明，硅烷/聚丙烯复合涂层展示出优异的疏水性，自清洁性和耐蚀性。此外，一体化的超疏水涂层还具有极好的稳定性。 该项工作“ Corrosion resistance of self-cleaning silane/polypropylene composite coatings on magnesium alloy AZ31 ” 发表在《 Journal of Materials Science Technology 》（IF5.04,一区）（41，2020：43-55） （https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.08.056） 。第一作者为硕士研究生张召琦，通讯作者为 山东科技大学 曾荣昌教授、 中船重工七二五所 蔺存国研究员、王利高级工程师。 Fig.1 Schematic of the preparation process of the PAPTMS/PP coatings. Fig. 2 FE-SEM images of (a-b) the PAPTMS coatings, (c) elemental compositions of samples in wt.%, and (d-f) the PAPTMS/PP coatings. Fig. 3 FT-IR spectra (a) and XPS spectra of PAPTMS/PP composite coating: (b) survey of elements, high resolutions of (c) C 1s, (d) O 1s, (e) Si 2p and (f) N 1s. Fig. 4 Contact angle (CA) measured using (a-1) water, (a-2) glycol and (a-3) diiodomethane as liquid phase; (b) sliding angle (SA). Fig. 5 Self-cleaning tests of (a, b) the PAPTMS/PP coatings; Optical photographs of (c, d) the spherical droplets on the surface (front and vertical view). Fig. 6 (a-c) Nyquist plots, (d) Bode plots of |Z| vs. Frequency and (e) Bode plots of phase angle vs. frequency; equivalent circuits of (f) the AZ31 substrate, ( g ) the PAPTMS coatings and (h) the PAPTMS/PP coatings.
个人分类: 科研进展|3116 次阅读|0 个评论
AW最新成果：柔性自清洁复合能量采集系统
热度 1 张海霞 2019-11-6 21:04
最新成果：柔性自清洁复合能量采集系统 福州大学物理信息与工程学院程树英教授课题组和北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组日前联合在纳米科学技术领域重要期刊 《 Nano energy 》上发表文章《基于微纳米结构雾度薄膜的可穿戴式自清洁复合能量采集系统》（ Wearable and Self-Cleaning Hybrid Energy Harvesting System based on Micro/Nanostructured Haze Film, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104243 ），福州大学 2017 级硕士研究生任中阳为论文第一作者，程树英教授和张海霞教授为论文的共同通信作者。 【成果简介】 随着多功能器件与可穿戴技术的快速发展，能够同时采集多种能量并与人体紧密结合的柔性复合能量采集器件备受关注。在这篇文章中，我们提出了一种可穿戴的自清洁复合能量采集系统。该系统利用微纳米结构雾度薄膜（ GHF ）实现了优异的光学性能、较大的有效接触面积和优越的自清洁性能。 PEN/ITO 作为公共电极，使得复合能量采集系统可以同时从顶部收集太阳能并从底部收集人体运动的机械能。同时，利用 FPCB 技术，将柔性有机太阳能电池（ F-OSC ）和单电机摩擦纳米发电机（ AS-TENG ）通过 PEN/ITO 集成在一起，不仅增强了整个系统的集成度，而且有效地协同了来自太阳能电池的大电流和来自摩擦纳米发电机的高电压。最后，通过引入超疏水 GHF ，我们封装了这种柔性复合能量采集装置，实现了优越的防尘和自清洁性能，显著提高复合电池在实际应用中的稳定性和可重复性。 【图文导读】 论文提出了采用 FPCB 技术将柔性有机太阳能电池（ F-OSC ）和单电机摩擦纳米发电机（ AS-TENG ）通过 PEN/ITO 作为公共电极集成在一起，使得复合能量采集系统可以同时从顶部收集太阳能并从底部收集人体运动的机械能并提高系统的输出。 图 1 柔性自清洁复合能量采集系统。 论文设计并制备了一种具有优异光学性能、超疏水性能的雾度薄膜 GHF ，并将 GHF 集成到复合能量采集装置中（ 1 ）作为摩擦层来增加 AS-TENG 的表面电荷密度（ 2 ）作为陷光层来提高 F-OSC 的光电转换效率，结构和制备过程如下图所示。 图 2 微纳米结构雾度薄膜的制备流程（ a ），表面形貌表征（ b ）及物理特性（ c ）。 同时，该系统集成了一个柔性的能量管理电路，并通过引入公共电极的方法提高了系统的集成度，有效地利用了太阳能电池的大电流和摩擦纳米发电机的高电压，其中， AS-TENG 输出电压 / 电流提高了 120%/105% ， F-OSC 的光电转换效率提高了 16% 。 图 3 （ a ）柔性复合能量采集系统的结构示意图；（ b ）柔性复合能量采集系统的能量管理电路；（ c-e ）用不同的能量采集单元分别对 10 μ F 的电容器充电；（ f ）以嵌入的方式集成到衣物中的柔性自清洁复合能量采集系统示意图；（ g ）复合能量采集系统的输出稳定性测试；（ h ）柔性自清洁复合能量采集系统与串并联复合能量采集器以及独立能量采集单元的输出性能对比。 最后，由于 GHF 引入的超疏水性能，柔性复合能量采集系统拥有防尘、自清洁、自封装等性能。在极端水蚀 ( 粉尘污染 ) 条件下， F-OSC 的输出效率依然能保持初始状态的 80% (75%) 。 图 4 柔性自清洁复合能量采集系统的封装功能和自清洁性能表征。（ a ） F-OSC 的封装原理图和自清洗示意图；（ b ）柔性复合能量采集系统的能量管理电路；（ c ）具有平面 PDMS 和（ f ）具有 GHF 的 F-OSC 自清洁性能对比；具有 GHF 的 F-OSC 在经过 10 个周期的（ e ）污染和（ f ）再清洁依然可以保持较高的输出性能；（ g ）具有 GHF 的 AS-TENG 和（ h ）具有平面结构 PDMS 的 AS-TENG 在污染和清洗 10 个周期后的输出性能比较。 【总结与展望】 这项工作提供了一个打破环境限制的解决方案，从而最大限度地收集和转换环境中的可再生能源。研究结果可为可穿戴技术的自供电系统带来广阔的应用前景，显著提高复合电池在实际应用中的稳定性和可重复性。 相关研究得到国家科技部攻关项目、国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的支持。 【文章链接】 Wearable and Self-Cleaning Hybrid Energy Harvesting System based on Micro/Nanostructured Haze Film. (Nano energy). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104243
个人分类: 科研心得|4098 次阅读|1 个评论
植物非光滑叶表面“莲叶效应”的应用研究
热度 4 jldxwsj2000 2014-1-27 19:47
 . 植物 非光滑叶表面 “莲叶效应” 的 应用 研究 王洁 （ 吉林大学） 摘要 ：本文对植物非光滑叶表面“莲叶效应”现象 、 及其应用进行了综述与展望。 关键词 ：非光滑表面； “莲叶效应” ； 自清洁 ； 仿生科学 ; 植物叶片    在过去的二十几年里，Baker and Parsons，(1971)；Holloway and Baker，1974）；Barthlott and Ehler，(1977）；Jeffree，（1986）；Barthlott，（1990）通过电镜扫描研究证明植物表面展现出各式各样的表面结构，如毛状体、表皮褶皱和蜡质晶体，它们起不同的作用，一般提供防水表面 。1986年E.Jeffree 就植物表皮、上表皮蜡和毛状体及其结构、功能进行了分析和论述，将现代植物中的蜡形态分为薄膜形、管状、盘状等14种类型 。1990年和1993年Barthlott 先后对植物表面形态、结构，尤其是表皮蜡的形态、功能和结构进行了扫描电镜的观察分析 。 1998年Wilhelm Barthlott, Christoph Neinhuis, David Cutler, Friedrich Ditsch, Iris Meusel, Inge Theisen and Hiltrud Wilhelmi等就植物表皮蜡进行分类学研究，将蜡分成膜状、结晶状等6大类31小类。Haberlandt（1914）,Metcalfe 和Chalk（1950，1979）等尝试将毛状体分为星形、盾形等8种类型，并就蜡和毛状体的功能进行了分析说明 。 1997年W.Barthlott and C.Neinhuis 就 荷叶的自清洁——莲叶效应 进行了研究，首次指出表面粗糙度、减少颗粒粘附和防水间的相互依赖关系是许多生物表面自清洁机理的拱心石 。 科学家在对动植物表面研究中发现自然界中通过形成超疏水表面来达到自洁功能的现象更为普遍。最典型的是 波恩大学Barthlott教授 首次发现莲叶表面具有微型1微米的腊状毛刺，非光滑特征尺寸直径约d=5-15μm ，冠高h=1-20μm表面（如图1），它具有不沾水、不沾油脱附自清洁的功能。 后来称该作用为 “ 荷叶效应 ” （Lotus-effeet），据此人们又开发出不沾水、不沾油、抗污染的薄膜,这是一种超疏水表面，在家庭用品中有广泛的应用，如把它用于家庭花园桌椅贴面，可以使桌椅面任凭风吹雨打,仍然保持清洁一新。还可以将其用于太阳能板、交通标牌上都具有自清洁作用。自洁屋顶瓷瓦、自洁高墙玻璃、防水涂料等都有这种表面的应用。 最近上海申得欧有限公司(原迪诺瓦公司)在北京新世纪饭店召开新产品发布会,推出 “荷花王'' 硅树脂外墙涂料 。该产品是根据 “荷叶效应”的仿生学原理 研制的。荷叶由于长期进化后,形成独特的憎水性,当雨水落在叶片上会形成无数水珠滚落,并带走所有浮尘和微生物孢子。该涂料具有四个特点:一是具有特殊的微结构;二是很好的透气性;三是两天内产生强憎水性;四是24天完全干透后,产生“荷叶效应”。涂刷后能保持墙面的长期干燥和美观。   菊花瓣具有波纹沟槽的微结构，旱金莲花瓣具有头包非光滑结构（图2），均表现出明显的自清洁作用（图3，图4）正以此原理研究并开发出各类免擦自洁的毛玻璃【8】，这种自洁窗玻璃可在雨水的作用下，自我清洁，而不留下任何痕迹。玻璃上有一层薄的透明的疏水矿物材料，当与雨水接触时，水滴在这层玻璃表面自动伸展开来，起到洗刷的作用，自行蒸发，不留下任何痕迹，若加之均匀分布的波纹状、头包状的非光滑结构表面，其自清洁作用将会显著增加，据此开发的仿生产品将具有广阔的市场前景 。作为一种功能性表面在其他科技领域里也有广泛的应用。我们还可以根据叶表面气孔的非光滑微结构开发出各种自洁、透光性好、无液滴的仿生自洁农膜，若将其应用于设施农业生产中将会带来较大的经济效益和社会效益。 “莲叶效应 ”具有广阔的应用前景及很高的商业价值，一些关键技术及原理都已申请专利，我们只有不断地深入研究，才能挖掘出其应用潜力。如在服装设计上运用莲叶效应的自清洁作用正处于研制中 ；在纺织业上运用其进行拒水针织物的研制正处于探索中 。 这种自清洁表面还可以应用于卫星天线、雷达的保洁表面、潜艇水体的减阻材料以及石油化工领域内管壁修饰等具有非常高的应用价值 。 近年来， 微流技术 （Microfluidics）发展非常迅速，目前一个突出的问题是微流体的控制与定位技术 。而器件的微型化使得管道的的表面性质（尤其是湿润性能），对流体的的流动起着重要的作用。将超疏水表面应用于微流体控制机制中无疑会促进微流技术的发展。在生物领域超疏水表面也有巨大应用潜力 。如：可用于控制含又相关分子（DNA和蛋白质）液滴污染最小化，制备以测定点位技术分析互补DNA微排列结构所需要的特殊湿润性的基底，以及解决生物中较头痛的小液滴的 “圈饼效应”和“咖啡效应” 等问题 。 生物表面在进化过程中被优化的结果是人类研究不断突破创新的不可缺少的参考原 型和良师益友，人们从生物表面的研究分析中不断汲取经验，改进和完善现有的设备器械，创造更新更好的机械设备等。人们对生物表面的研究越来越细致、深入，对生物表面的仿生研究应用前景非常乐观， 并且已经逐步深入到各个领域，具有较高的应用研究价值与应用潜力。 生物非光滑形态学及其在仿生工程方面的研究主要还可以在以下几个方面进行突破。 发现新形态 ：通过对动、植物、昆虫体表非光滑形态的宏观与微观观察分析，通过特征描述，找出非光滑表面的特征参量。通过对已有典型的非光滑形态的分类，进一步寻找新的特征综合类型。 探索新功能、研究新理论 ：生物非光滑表面具有减阻、脱附、耐磨、自清洁等功能，我们仍需进一步挖掘其新功能如降噪、消声、隐形等，并进一步探讨其自适应、自调解、自组装的仿生功能机制，为生物自生长成型仿生机械、超前反馈仿生、微机械设计提供理论依据 。 开发新产品、拓宽应用领域 ：生物非光滑在机械制造业、环保业、轻化工业、农业工程、军事及航天、航空制造业的设计上已得到广泛的应用，不能满足于仿生物非光滑已开发出的新产品（已有授权发明专利近100项），如非光滑机械（仿生犁壁、仿生推土铲、仿生自卸车）、仿生饭铲、仿生薄膜等，还应不断深入开发出更多的非光滑仿生新产品。为了拓宽其应用范围还需我们不懈地努力工作与探索。     参考文献   W. Barthlott , C ． Neinhuis ． Purity of the sacred lotus ， or escape f rom contamination in biological surfaces ． Planta ， 1997 ， 202 ： 1-8 ． Christopher E ． Jeffree ． The cuticle ， epicuticular waxs and tricheomes of plants ， with reference to their structure functions and evolution ． In ： Juniper B E ， Southwood S R （ eds ） Insects and the plant surface ． Edward Arnold ， London ， 1986 pp23-63 ． Barthlott W ． Scanning electron microscopy of the epidermal surface in plants ． In ： Claugher D(ed) Scanning electron microscopy in taxonomy and functional morphology ． Clarendon Press ， Oxford ， 1990 ， pp69-94 ． Barthiott W ． Scanning electron microscopy of the epicuticular waxs ． In ： cutler DF ， Alvin KL ， Price CE(eds) The plant cuticle Academic press ， London ， 1990 ， pp139-166 ． Barthlott W ． Epicuticular Wax ultrastrure ， and systematics ． In ： Behnke HD ， Mabry TJ(eds) Evolution and systematics of the Caryopnyllales ， springer ， Berlin ， 1993 ， pp75-86 ． Wilhelm Barthlott ， Christoph Neinhuis ， David Cutler ， Friedrich Ditsch ， Iris Meusel ， Inge Theisen and Hiltrud Wilhelmi ． Classification and terminology of plant epicuticular waxes ． Botanical journal of linnean society ， 1998 ， 126 ： 237-260 ． C ． Neinhuis and W ． Barthlott ． Characterization and distribution of water-repellent ， self-cleaning plant surfaces ． Annals of botany ， 1997 ， 79 ： 667-677 ． 王 洋 . 上海申得欧公司推出 “荷花王” 硅树脂外墙涂料 , 中国涂料 ,2002,6:30 孙家海 . 自洁窗玻璃 , 工程设计 CAD 与智能建筑 ［ J ］ , 2002,9(4) ： 6 Wilhelm. 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