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    MIT团队设计出的这种材料,真的一滴水都透不过去!

    2018-7-3 0:28:06      点击:

      从雨衣到军用帐篷,防水织物已经在我们的生活中得到了广泛的应用。但是,传统的防水涂料一旦进入环境中,常常会因为食物链中的生物放大效应而在我们身体中积累,隐患重重。这也亟待研究人员找到更安全的替代品。

      最近,麻省理工学院的 Kripa Varanasi 和 Karen Gleason 教授团队已经开发出一种新型的材料,可为天然织物(如棉花和丝绸)提供防水性能,并比现有的涂料更加有效。这一研究成果在 6 月 29 日发表在 Advanced Functional Materials 杂志上。

      麻省理工学院机械工程副教授 Varanasi 说,“目前大多数‘防水’织物实际上只是拒水,如果你将雨水滴在织物上,最终这些水还是会穿过织物。”最终,仅仅是织物本身没有湿,但水还是透过去了。而新的材料则更接近真正的防水目标。

      

      图 | 涂层处理(左)和未处理(右)织物防水效果对比

      鉴于这些长链聚合物涂料在环境中的迁移和转化特点及在生物体内的累积,美国国家环境保护局(EPA)正在修订行业标准相关法规规定。“这些物质在环境中广泛存在,且很难降解。”Varanasi 说。

      目前,用于制造防水织物的涂料常用全氟化侧链的聚合物组成。问题在于,与已经过研究的长链聚合物不同,这些短链聚合物不具有与长链聚合物类似的疏水效应。现有的涂料另一个问题是这些涂料一般是基于液体的,所以织物必须进入液体中然后再进行干燥处理。Varanasi 表示,这样的流程往往会导致织物的毛孔被堵塞,所以织物无法像他们研究中那样呼吸,因此传统工艺还需第二个步骤,这一步骤中,空气吹过织物重新打开这些孔,这就增加了制造成本并降低了一些拒水性能。

      

      图 | 防水涂料结构(图源:Advanced Functional Materials)

      研究表明,具有少于 8 个全氟烃基团的聚合物不会在环境中持久存在,且其生物积累几乎与 9 个或更多氟的聚合物相同。

      Varanasi 表示,在这项研究中他们将两者结合起来:一种短链聚合物,它本身具有一些疏水性质,通过一些额外的化学处理将这一疏水性质加强;这一功能加强的实现,是麻省理工学院亚历山大和迈克尔·卡塞尔化学工程教授和副教务长 Gleason 及其合作人员通过近年来开发的引发化学气相沉积(initiated chemical vapor deposition,iCVD)工艺完成的。

      使用这种不涉及任何液体并能在低温下完成的 iCVD 工艺, 可生成非常薄且均匀的涂层,这一涂层会与纤维的纹理保持一致而不会导致孔隙堵塞,进而省去了打开毛孔的步骤。同时,这一工艺也可通过添加额外的步骤来进行表面喷砂处理,以进一步提高防水性能。

      Varanasi 说,该工艺适用于许多不同的织物,包括棉、尼龙和亚麻,甚至在纸张等非织物材料上也有潜在的应用。这一工艺已经通过不同类型的织物以及织物不同编织图案的测试,以及一系列实验室测试,包括工业使用的标准雨水测试。处理后的织物不仅通过了水测试,还通过了如咖啡、番茄酱、氢氧化钠及各种酸碱等液体的测试,并表现出良好的性能。

      

      图 | 不同液体的防水效果。右上角黑色为酱油、棕色液体为咖啡、左下角为番茄酱、左上角透明液体为盐酸、右下角透明液体为氢氧化钠、其他透明液体为水。(图源:Advanced Functional Materials)

      同时,这一涂料经过反复洗涤后并没有降解,且已通过了严格的磨损测试,在重复 1 万次的磨损后涂层仍未损坏,而最终,在严重磨损的情况下,纤维被破坏,但涂层仍旧良好。