超疏水表面基磁性材料制备及其潜在应用的新动向

《超疏水表面基磁性材料制备及其潜在应用的新动向》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超疏水表面基磁性材料制备及其潜在应用的新动向（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、材料化学学报超疏水表面基磁性材料制备及其潜在应用的新动向超疏水表面在近几十年中已经发展为一个新兴领域。近年来，这些表面由于 其表面的智能和自清洁能力，在各种各样的应用中引起了相当大的关注。另一方 面，可切换的表面性能、自愈性和机械磨损的强健机制，使这些超疏水表面在涂 料工业的实际应用和商业化中更加可靠。近年来，由磁场或磁颗粒诱导的超疏水 表面也出现了一个新的应用领域，如漏油捕获与分离、催化、传感器、液体小球 型微流体器件、磁共振成像（MRI）造影剂、超疏水磁流体等。本文综述了超疏水 表面基磁性材料（SSBMMs ）的制备，如超疏水磁性表面、纳米颗粒、液体小球、 海绵和泡沫、大块材料、气凝胶、织

2、物和纸张、弹性体驱动器、微流体、各向异 性颗粒（三贴片磁性超粒子） 及其过去、现在和未来的应用。几 1.前言超疏水表面的灵感来自于各种各样的生物逻辑系统，如莲叶（正面），水稻 叶，小麦叶，臭椿叶，壁虎，蝴蝶翅膀，鲨鱼皮，鲤鱼鳞，水马，蚌，珍珠层和 蛤壳。自然界的例子可能会导致生物表面产生微纳米层次结构，这种结构可以抵 抗表面的水滴，使表面永远清洁（自清洁） 。基于这些生物灵感，一些研究尝试模 拟生物系统的表面形貌，以形成坚固的超疏水自洁涂层。近年来，超疏水表面的 高强健性、自愈性和可切换性引起了人们的广泛关注。上述特性对于实际应用材 料的商业化非常重要。另一方面，这些性质的发展是相当困难的。因

3、此，在设计 和制造这些表面时需要小心。超疏水表面在pH、光（紫外线）、等离子体和激光、 温度和电化学处理等环境下是可切换的。所有这些都取决于涂层应用材料的类型一些金属前驱体、聚合物、硅烷前驱体、硅氧烷都以自身材质为根基，以及 各种基质，如玻璃、纳米纤维、硅片、薄膜、纸张、纺织品、海绵、泡沫和气凝 胶，已被用于制造超疏水表面。图1给出了基于聚甲基羟基硅氧烷（PMHOS）天然 叶粉混合物的聚合物杂化的超疏水表面的例子。近来，相当大的注意力都集中在 发展的超疏水表面磁性材料（SSBMMs）基于一系列基质，如海绵、泡沫、气凝胶、 玻璃、磁性粒子,和液体小球（图 2） 。这些表面广泛用于从水面或水下选择

4、性地 去除和分离油、催化、传感器和生物医学应用、弹性聚合物致动器、磁性液体器 件制造和其他应用(图2)。使用这些超疏水表面磁性材料(SSBMMs)的主要原因 是使用永久磁铁容易分离材料或衬底，并且可循环使用而不损失材料。据作者所 知，这是首次对超疏水表面磁性材料(SSBMMs)的制造和应用前景进行更深入的综 述。在文献综述的基础上，超疏水表面磁性材料(SSBMMs)在更广泛的应用中，与 在一系列应用中使用的超疏水表面相比，还没有得到很好的应用(图3A和B)。 这些超疏水表面磁性材料(SSBMMs)的增长和发展已经为更广泛的应用而出现(图 3B)。本文综述了超疏水表面磁性材料(SSBMMs)的特

5、性、制备方法和应用。超疏水性一般由表面润湿性决定。接触角(CA)小于90的表面分别称为亲 水表面和超亲水表面。另一方面，接触大于 90和 150的表面分别称为疏水和 超疏水表面。在大多数情况下，超疏水表面根据其表面性质表现出较低的接触角 滞后。当超疏水表面呈现非常低的滚动角 (170 )。滚动角由它们的动态接触角(DCAs)决定，例如前进接触 角和后退接触角。另一种情况下，由前进接触角减去后退接触角得到滚动角。超疏水基材的极不粘附和自清洁特性在日常生活中非常有用。这些基材的应 用基于它们的化学成分和性质而呈现出广泛的应用。2.各种材料的磁性能由于电子结构中未配对电子的存在，一些金属离子表现出部

6、分磁性。另一方 面，由于轨道壳层中存在较多的未配对电子和正的净磁矩，铁基材料可以产生强 磁矩。根据磁性的类型将材料的磁性能分为几种类型，如抗磁性、顺磁性、铁磁 性、反铁磁性、亚铁磁性、超顺磁性等。在磁性材料中，抗磁性是一种弱的非永久磁性。完全被电子束缚的材料的轨 道壳表明材料中没有净磁矩。在没有磁场的情况下，该材料不显示任何偶极子， 这说明该材料的非磁性能。同时，偶极子在磁场存在下被感应，并且朝向所施加 的磁场的相反方向排列。基于这种方法，当材料暴露于永磁体时，表现出负的磁 矩，因此磁化率也变为负。顺磁材料显示轨道壳层中存在一些未配对电子，使电 子在有外部淬火剂存在的情况下，能够在轨道壳层之间

7、轻松交换。在永磁体的应 用中，材料被部分磁化，表现出正的净磁矩和磁化率。另一方面，由于单个磁矩 的非相互作用，净磁矩变弱。因此，在没有永久磁场的情况下，材料的净磁矩变 为零。另一方面，由于配合物中存在大量的未配对电子，铁磁材料对永磁体表现出 很强的磁性。电子材料的多域相互平行的一个外部磁场,这有助于保持磁性材料 的时间即使没有永久磁铁,所以这些材料的净磁矩和易感性也变得积极。反铁磁 材料与铁磁材料相似。然而，磁畴与外加磁场的方向完全相反。这是由于与相邻 原子或离子的反平行耦合，从而抵消了材料中的净磁矩。反铁磁偶极子在没有磁 场的情况下没有磁性，而材料在外加磁场下有很小的净磁矩。铁磁性材料也类似

8、 于铁磁性材料。它们的净磁矩不同。磁畴中自旋矩的不完全抵消和反平行方向导 致了净磁力矩。铁磁性材料在某些材料中还根据材料的性质表现出永久磁性。在大多数情况下，超顺磁性材料的作用类似于铁磁性材料。当铁磁材料的粒 径减小到小于10nm时，单个粒子中的电子域试图相互聚集。然后，由于材料的 尺寸较小，它们之间的相互作用不强。单个粒子中的电子域相互平行，在没有永 磁体的情况下，材料也能在短时间内保持其磁性，呈现出正的净磁矩和磁化率。 这些材料的磁性比铁磁性材料弱得多。图 1. 聚甲基羟基硅氧烷或天然叶粉杂化物在一系列基材上的瞬时超疏水性 能：（a）玻璃，（b）柔性层压板，（c）树叶，（d）手套，（e和f

9、）浸泡前和浸泡后在 水中的手套（未浸泡和浸泡后手套在水中的吸引和反射），（g）不锈钢板、（h）纸、 （i）棉布、（j）水泥地板、（k）木板、（1）樱桃番茄、（m）玻璃纤维网（孔径1.5mm）、 （n）室温干燥的海绵浸涂杂化聚二甲基硅氧烷（PDMS）、（o和p）十二烷与大豆油 混合浇铸玻璃基板。2.1.超疏水表面基磁性材料的制备利用磁性材料制备的超疏水表面可以在其表面产生强磁性。Pogreb等人利 用激光束和永磁体在聚合物衬底上的支撑，通过两步法发展了一种新型的超疏水 表面基磁性材料。在第一阶段，它们在永磁体聚甲基戊烯（TPX）上铺展了大型 的金属（Ni 17Cr 4Fe 4Si 3.5B 1C

10、）磁性纳米颗粒（100微米），然后在激光照 射下进行表面辐射。在此处理过程中，金属颗粒产生热量，在200-230C熔化聚 甲基戊烯。熔融聚合物薄膜包覆金属磁性粒子，具有疏水性（120-135）。在第 二阶段，使用小尺度金属（Fe, l-5“m）磁性颗粒以类似的方式处理表面。通过 两步法，在大尺度金属磁性粒子上沉积小尺度金属磁性粒子，形成双尺度分层表 面。这种双层嵌段结构显示出超疏水接触角（153）和滚动角（15）。利用聚 乙烯醇（PVA）和醋酸亚铁（FeAc ）电纺丝技术开发了一种新型的导电和超疏水2磁性表面。将材料按不同重量百分比混合，电纺成纳米纤维。用氩气在600C下 煅薄膜烧8h,得到纳

11、米纤维。磁性条件下制备碳纳米管（CNF）。所得碳纳米管 具有优异的导电性能（在50wt%FeAc下为3.4S cm-1）、磁性能（铁磁性）和超磁性2能。疏水性（156 T 2.6在40wt%FeAc ）。他们也报道了随着FeAc重量百分22比的增加，多功能纳米晶管的导电性和磁性能增加。 Wang 等人还以聚偏氟乙烯 （PVDF）为纳米材料的静电纺丝制备了多功能超疏水磁性表面。用聚偏氟乙烯在超 声波作用下分散并电纺成纳米纤维（图 4），制备了含氧核壳磁性微球。所得纳 米纤维在强酸、强碱条件下，呈现其超顺磁性能和稳定的超疏水性（152.4 0.4）。表1列出了超疏水表面基磁性材料和他们潜在的属性。

12、采用类似的方法，在铜片衬底上用2, 2, 3, 4, 4, 4-六羟基丙烯酸丁酯（HFBA）对核-壳型磁铁矿纳米颗粒（MNPs） （FeOSiOMPS）表面进行石墨聚合，用3 42铸造方法制备了超顺磁性和超疏水涂层表面 （154.6饱和磁化值为 44.0emu g-1 ）。另一种方法，张思昊等人通过核壳型磁赤铁矿纳米粒子的原子转移自由基 聚合（ATRP）合成超疏水（157 ）和超顺磁性薄膜（图5）。另一方面，稳定的 仿生超疏水表面基磁性材料是通过在铜基板上形成铜（Cu）-铁氧体纳米棒，再经 氟化硅烷前驱体（十二烷基氟辛烷乙氧基硅烷（FOS-12）处理而制备的。通过将生 长时间从几小时增加到 2

13、4 小时，晶体纳米棒的数量减少，其尺寸和平均间距增 加。在浸泡8h内，“匕首状”纳米棒晶体（1h）将变成“剑状”纳米棒晶体，在 24h 形成亚微米棒晶体结构。饱和磁化强度随着铜-铁氧体纳米棒生长时间的延 长，薄膜增加。另一方面，铜铁氧体纳米棒的增加薄膜将产生部分光滑的表面， 使表面接触角从超疏水性（浸泡10h时的156.5 T2.1 ）变成疏水性（浸泡24h 时的1422.4 ）。图2制备超疏水表面基磁性材料（SSBMMs）的各种方法及其潜在应用。Materials 訓n心 Eheirbuperrn drophobicburface Based MagneticAppiicanons数量（来源

14、：ISI科学网）2.1.1.超疏水磁性纳米颗粒最近，通过模拟贻贝的表面，合成了新型的仿生磁性纳米粒子。以粒径范围 不同的二氧化硅纳米颗粒为核心材料，经多巴胺、银纳米颗粒和 1H、1H、2H、 2H-全氟十一硫醇的表面处理，制备出了以贻贝为灵感的纳米表面。所得纳米粒 子具有超疏水性。表面润湿性改变了部分取决于大小的二氧化硅纳米粒子核（500 nm 时 171.02.0,200 nm 时 166.82.1,在 300 nm 时 156.81.4） 用于合成。基于这个想法,液体磁性纳米颗粒小球也使用羰基铁粒子为核心开发 的材料(图 7)。获得的磁性纳米颗粒表现出超疏水性(159.6),和几乎完全的油

15、 润湿性(0)。磁性纳米颗粒可以借助永磁体进行远程控制。利用这一思想，磁 性纳米粒子可以对一系列的应用程序应用。这种以贻贝为灵感的磁性纳米颗粒通 过将颗粒分散在溢油表面展现出油状小球的特性。这表明，通过使用永磁体，油 可以被分离和回收而不损失任何磁性纳米颗粒Fang等人在图8所示的工艺中， 用一种简单的方法制备了磁性诱导的临时超疏水涂层。在第一步中，用亚铁和氯 化铁共沉淀法制备了磁性纳米颗粒，将其溶解在烧杯中的水中，然后加入氨水溶 液。在一锅中加入三氟辛基三乙氧基硅烷(FAS)、乙醇和水，进一步对所得磁性 纳米颗粒进行表面功能化。所得的氟化磁铁矿纳米颗粒具有疏水性。为了利用这 种材料产生超疏水

16、性，氟化磁铁矿纳米颗粒通过将永磁体保持在基体以下而沉积 在一系列基体上。疏水粒子(在玻璃衬底上 124.6T2.1) 在一系列基质上 使用这种技术展出临时超疏水性 (在玻璃衬底上172.80.2)。纯磁铁矿纳 米颗粒在300k时的饱和磁化强度约为65.20 emu g-1。另一方面，表面功能化 的磁性纳米粒子表现出部分的磁化减弱(53.10 emu g-1, 300k)。磁性纳米颗粒 的磁性降低主要是由于三氟辛基三乙氧基硅烷的表面功能化。光滑层形成的磁铁 矿纳米颗粒的外表面氟化硅颗粒会减少磁化 , 增加亲水的表面性质(纯磁铁矿纳 米粒子在玻璃衬底 38.91.2)疏水性和超疏水性。一些磁性纳米颗粒也已 经与一系列前体进行了合成和聚合，以提高这些材料的表面性能。图4.FeO SiO