大自然的灵感：自清洁合成革

苏苏

大自然的灵感：自清洁合成革

俄亥俄州立大学的研究人员之前使用基于模糊叶子的纳米工程纹理，设计自洁玻璃和可将油水分开的网状物。日前他们又发明了一种憎水且憎油的合成革涂层。如下图所示，研究人员将一滴油滴在未经处理的合成皮革表面（上图，从左至右）和一块经过处理的合成皮革表面（下图，从左至右）。可以发现，合成皮革表面经过处理后，油滴将直接从皮革表面滚落下来。




现在，在《胶体和表面A》杂志上，他们报告说找到了一种可将相同的自然涂层与塑料基合成革相结合的方法。这样就可以让水和油都会从涂层表面滚落下来。在高达70摄氏度（158华氏度）的温度下，皮革状表面也不会发粘。


俄亥俄州的杰出学者Bharat Bhushan和俄亥俄州立大学机械工程学教授Howard D. Winbigler说，这种涂层可以制造出更清洁、粘性更小的家具、汽车内饰、服装、鞋子和手提包—即人们所使用的任何合成革产品。


Bhushan说：“有史以来，真皮就成为人们日常生活中非常重要的材料之一。由于合成革的价格更低且更易于加工，目前合成革市场一直在不断增长。据我们所知，这是第一次有人试图制造出同时兼具超疏水性和超疏油性的合成革。”


合成革由涂有塑料的织物制成，通常是聚氨酯（PU）或聚氯乙烯（PVC）。PVC和PU都可模制成具有凹槽的平板，使其具有皮革般的质感。同真皮一样，合成革对液体也具有一定的渗透性。但与真皮不同是，合成革在高温下会发粘，因为热会使塑料表面发生软化。


Bhushan擅长仿生学领域—一种模仿自然中材料和工艺的科学。他的许多研究成果都受到了荷叶的启发—因为荷叶凹凸不平的表面自然会排斥水。


正如他们之前所做的表面防水和防油实验，研究人员试图通过在合成皮革表面喷涂二氧化硅纳米颗粒涂层来得到凹凸纹理。


俄亥俄州立大学的研究人员发明了一种同时能够排斥水和油的合成革涂层。如图中所示，研究人员将一滴水滴在未经处理的合成皮革表面（上图，从左到右）和一块经处理过的合成革表面（下图，从左到右）。经处理后，水会从合成革表面滚落下来。




但是Bhushan和博士生Dev Gurera很快发现，合成革中的增塑剂—即赋予塑料可塑性的化学品可防止纳米颗粒发粘，特别是在具有皮革外观的凹槽内。所以他们用计算机芯片制造中常用的紫外线处理进行表面清洁工作。


结果显示：纳米颗粒粘在清洁的合成革上，产生凹凸不平的表面。然后研究人员用硅树脂密封纳米颗粒。涂层基本上是透明的，因此皮革纹理仍然可见。


Bhushan和Gurera对PU和PVC样品进行了涂敷，并测试了其防水和防油性、自洁性以及耐久性和耐热性。


他们将油滴和水滴滴在合成革表面，并测试了合成革表面在倾斜角度为多大时才能使液滴从表面滚落下来。水滴在表面倾斜2度或者油滴在表面倾斜4度时会发生滚落。其中，在倾斜角小于10度时发生滚落的液体均被认为是超液体。


为了观察磨损是如何影响涂层，研究人员通过将蓝宝石珠在表面来回拖曳100次，在蓝宝石表面上得到了凹槽。液滴从划痕表面滚落所需倾角增加到了7度，仍属于超液体—但只有当液滴滚过（即垂直于磨损的凹槽方向）时。


当皮革被放置到液滴必须在磨损的槽内滚动时，液滴滚落的所需角度将增加到44度。虽然这听起来很糟糕，但它仍比未经处理的PU和PVC表面表现更佳。因为未经处理的PU和PVC表面在倾斜到90度时仍会有水或油存在。


为了测试自清洁能力，研究人员在皮革上喷洒了黑色碳化硅粉末，并测量了一滴水可以冲走多少粉末。结果显示：在未经处理的合成革上，水冲走了约10％的粉末，而在处理过的皮革表面，90％的粉末被带走。


粘性呢？停放在阳光下的封闭车内的最热温度约为80摄氏度（176华氏度）。研究人员表示，在该温度下，涂层无法保持其完整性，因为涂层表面下的PU或PVC开始像极其粘稠的液体一样发生流动。该涂层在70摄氏度（158华氏度）时仍保持不粘，因此在炎热的日子里它可以防止你的腿粘在汽车座椅上。


然而，这并不会阻止座位烫到你，所以要小心。但至少你最喜欢的“皮革”外套看起来和你所感受到的，是相同的。