化氣泡為神奇:從聲控聚合物泡沫到三維超疏水孔隙材料的魔力制造

鑒於超高強度密度比、超強回彈性,大孔體積和能量吸收能力等優異的機械性能,三維(3D)孔隙材料目前已廣泛用於催化,氣體分離,傳感,組織工程等領域,在電池,離子交換,微電子,醫學診斷和采油等許多技術應用中發揮著重要作用。最近,西安交通大學機械工程學院蔣莊德院士和韋學勇教授提出瞭一種基於聚焦聲表面波的聲控聚合物氣泡制備方法,並將制備的聚乙烯醇(PVA)泡沫作為模板,通過冷凍-融化循環,化氣泡為神奇,最終制成瞭具有親油性和超疏水性的聚乙烯醇(PVA)孔隙凝膠材料

化氣泡為神奇:從聲控聚合物泡沫到三維超疏水孔隙材料的魔力制造
圖(a)為聲表面波微流控微氣泡生成裝置圖,可通過聲表面波控制生成氣泡的大小,圖(b)為三維孔隙材料示意圖

基於聲表面波的微氣泡制備方法

在該研究中,基於聚焦聲表面波的聲控氣泡制備方法,不僅適用於油包氣微氣泡的產生,而且還適合於水包氣微氣泡的產生。微氣泡的大小可以通過調整聚焦聲表面波的輸入頻率或驅動電壓進行實時調控。該方法可實現在微秒級時間內對微氣泡大小的調控,其調控范圍可從10μm到數百微米。

聚乙烯醇(PVA)孔隙凝膠材料的制造

化氣泡為神奇:從聲控聚合物泡沫到三維超疏水孔隙材料的魔力制造
圖(a)為通過凍融循環制造的聚乙烯醇(PVA)孔隙凝膠材料,圖(b)為超疏水修飾後的聚乙烯醇(PVA)孔隙凝膠材料

在PVA孔隙凝膠材料在將制備過程中,首先將由微氣泡組成的PVA泡沫作為模板,通過反復凍融循環將PVA泡沫凝膠化。使用不同尺寸的微氣泡模板,可以獲得具有不同孔隙率的孔隙凝膠材料。該研究還克服瞭PVA凝膠材料自身的親水特性,通過疏水改性處理,賦予瞭PVA孔隙凝膠材料優異的親油性和超疏水性,使其成功用於油/水分離實驗。實驗表明,該超疏水性PVA可吸取包括矽油,FC-40和Novec 7500等多種油,吸油能力具有很強的可靠性,能夠多次反復使用。這種方法為新型孔隙材料的合成提供瞭新的思路,在包括生物組織工程和材料制造等諸多領域具有很大的應用潛力。

化氣泡為神奇:從聲控聚合物泡沫到三維超疏水孔隙材料的魔力制造
圖(a)PVA孔隙凝膠材料對不同油的吸油能力(b)吸油周期對吸油能力的影響

以上研究成果以論文形式發表在國際知名期刊《ACS Applied Materials& Interfaces》(IF=8.456),論文題目為“Acoustic-controlledBubbles Generation and Fabrication of 3D Polymer Porous Materials”。西安交大機械學院韋學勇教授為論文通訊作者,南京工業大學餘子夷教授為合作作者。西安交大機械學院博士生金少搏為該論文第一作者,西安交大為第一作者單位和通訊作者單位。該工作得到瞭國傢自然科學基金和英國皇傢學會-牛頓基金的資助,並得到瞭教育部微納制造與測試技術國際聯合實驗室以及機械制造系統工程國傢重點實驗室的支持。

化氣泡為神奇:從聲控聚合物泡沫到三維超疏水孔隙材料的魔力制造

文章鏈接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c02118

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