具水下空气层保持性的纤维基毛状表面的仿生构建

1、具水下空气层保持性的纤维基毛状表面的仿生构建一些植物和昆虫具有的水下保持空气层的能力 , 是继荷叶效应之后又一引起 关注的新兴研究领域。 它们较长时间保持空气层的能力往往与其表面密布的疏水 绒毛结构有关。特别是,德国 Barthlott 等2010年报道的植物人厌槐叶萍( Salvinia molesta )可保持水下空气层达到十几天甚至一个月。该植物叶片表面密集分布 着很多类似打蛋器结构的弹力绒毛 , 叶片表面覆盖着类似荷叶表面的纳米尺度蜡 质晶体,使叶片表面呈现超疏水性 ,而绒毛尖端无蜡质覆盖 , 呈现亲水性。研究者分析认为这种亲疏结合的弹力结构 , 使人厌槐叶萍具有良好的水下空 气层保持

2、能力。人厌槐叶萍的仿生研究方兴未艾。本研究以纤维材料为基材 , 采用静电植绒技术或采用表面毛圈结构织物 ,得 到毛绒状表面结构 ,将它们经疏水改性 , 得到具水下空气层保持性能的纤维基仿 生研究对象 , 进行性能分析和潜在应用研究。 在文献调研基础上 , 对人厌槐叶萍叶 片的表面结构、疏水性和亲水端粘附性等进行测定分析。然后作初步仿生试验 , 选择与人厌槐叶萍叶片结构有一定相似性的商品高分 子材料(尼龙搭扣) 和一些毛绒织物 , 进行疏水改性 , 测定表面疏水效果和观察其 水下空气层保持能力。 发现选择的商品高分子材料虽与人厌槐叶萍表面结构具有 一定的相似性 , 并有相似的高疏水性 ,但其空气

3、保持性能较差 ;毛绒织物样品具有 优良的疏水性,但毛绒高度过高时 ,在水下易倒伏 ,从而影响空气保持能力。从初步试验分析认为具有较细毛绒直径 , 较密集毛绒分布、合适高度和一定 支撑能力的表面毛状结构将有利于水下空气层保持。基于此 , 探讨利用静电植绒 技术得到具有相似于人厌槐叶萍的水下空气保持能力的仿生制品 , 该技术简单易 行, 同时对表面毛绒尺寸和分布可进行调节为定量评价空气保持性能 , 利用空气排水原理 ,设计水下集气定量分析装置 , 通过测定和计算样品空气层总量 V_total 和浸没一段时间后空气层 剩余量 V<sub>lef

4、t</sub>, 以及空气以不同方式 ( 气泡 V_bubble 和溶 解 V_dissolved) 流失量 , 分析样品水下空气体积变化。 采用不同品种 和尺寸的绒毛植绒 ,改变植绒时间得到不同绒毛密度的植绒样品 , 并作疏水改性。经分析不同植绒样品的空气层保留性能 , 发现静电植绒样品表面空气保留时 间随绒毛密度的增加而延长 ; 增大绒毛高度可获得较大的 V_total, 从而延长空气保持时间 ; 较小的绒毛直径可以获得较高的植绒密度 , 绒毛间隙

5、减 小,有利于增大绒毛间的毛细管力 ,稳定气液界面 ,利于空气层的保持。但绒毛的 长度和直径一般同步增大 ,绒毛直径过大将影响植绒密度 , 即绒毛间隙增大 , 则水 较易浸入绒毛间隙 , 空气保持性变差。最优性能植绒样品5C (尼龙绒毛,绒毛直径0.022 mm,植绒高度0.9 mm,植 绒密度500-700根/mm²具有可与人厌槐叶萍叶片相比拟的水下空 气层保持能力,水下600小时测定结束时 ,平摊状人厌槐叶萍叶片样品和植绒样 品 5C可分别保留 0.4mL/25 cm<sup>2v/sup>(18%V<sub>to

6、talv/sub>)和 0.5 mL/25 cm²(25%V_total) 气体。最后通过粘度计法比较植 绒样品表面保留空气层状态下与排空空气层后的对水阻力 , 结果表明表面空气层 具有一定的减阻效应。观察到当绒毛尺寸增大到一定程度时 , 除植绒密度降低外 , 在植绒过程中绒 毛还易出现倾斜和倒伏现象 , 因此设计用长度不同的绒毛依次对同一基底植绒 ,得到绒毛高度呈梯次结构的样品 , 拟通过短绒毛的存在来辅助长绒毛更好的发挥 空气层保持性能。研究发现双层梯次植绒可减慢表面气泡流失 , 提高样品表面气

7、 液界面的稳定性。初步分析了该结构提高气液界面稳定性的原理。 三层梯次植绒样品在气泡流 失前期显示出微弱的稳定性优势 ,但与双层梯次植绒样品比较 , 并无进一步减缓 气泡流失能力。对人厌槐叶萍绒毛尖端的亲水点进行仿生制备 , 通过设计的沾取法制取亲水 点,得到具有密度、面积比（密度 350-500个/cm²,面积比4-7%）与 人厌槐叶萍表面亲水端（密度233± 29个/cm²,面积比2.2%土 0.9%） 接近的点状亲水端的三层梯次植绒样品 , 经测定较同一结构未施加亲水点样品水 下气泡流失

8、速度减慢 , 气泡流失量下降 29%,气液界面的稳定性提高。 这一结果直 接地证明亲水点的存在确实可以起稳定气液界面的作用。另一方面 , 受人厌槐叶萍表面打蛋器形状毛结构可提供一定的弹性势能来稳 定气液界面的启发 , 研究用具有毛圈结构的织物作为人厌槐叶萍的仿生样品。通 过实验分析发现 , 织物上的毛圈纱线由许多根微细纤维构成 , 这样的结构有效提 供了表面粗糙度 , 对空气层的保持性能非常重要 , 并能额外容纳空气 ; 当采用毛圈 织物进行空气层保持仿生试验时 , 一定范围内较高的毛圈结构有利于提高空气层 保持总量 ;毛圈垂直于织物平面比倾斜的状态能更好地抵抗水的浸入 ; 毛圈排列 应避免高

9、度有序形成直线型联通沟槽 , 以避免因空气流动性提高带来的气液界面 不稳定。通过实验筛选得到毛圈织物F1 （棉纤维,拱形毛圈结构,毛圈高度1.25-1.31 mm毛圈纱线直径0.17-0.22 mm毛圈间距0.45-0.89 mm织物厚度1.74-1.80 mm和F3（粘胶纤维,全圈毛圈结构,毛圈高度1.67-1.74 mm毛圈直径0.20-0.25 mm, 毛圈间距0.46-0.56 mm织物厚度2.05-2.13 mm经疏水改性具有与人厌槐叶萍 叶片相当的疏水性能和水下保持空气的能力 , 它们可保持的最大空气量分别达到1.3 L/m²和 1.5 L/m²,最大可提供 13 N/m² 和15N/m²ffi外浮力，样品浸没水下500 h后，分别还可保留70呀口 66% 的空气。分析认为除表面外 , 毛圈环内、毛圈和底布的纤维间都可能有空气保留。设计水下隔热实验研究空气层的保温作用 , 测定发现具有空气层保持能力的毛圈织物F1和F3比其未疏水改性的样品水下隔热能力明显提高。 研究结果提示 了类似毛圈结构在救生设施上的应用潜力。在人厌槐叶萍快速和选择性吸油能力的启发下 , 研究仿生样品在漏