劉文靜，李超婧，吳斯蔚，劉來俊，王程毅，

章秋韻a，王富軍a, b，王 璐a, b

(東華大學(xué)a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620)

聚四氟乙烯(PTFE)是一種性能優(yōu)異的低表面能材料，目前廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)、過濾介質(zhì)、生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域[1]。常見的PTFE材料表面浸潤狀態(tài)多為類荷葉表面的超疏水或接近超疏水的疏水狀態(tài)，具有優(yōu)異的防黏附效應(yīng)。但研究發(fā)現(xiàn)，仿荷葉表面構(gòu)建的超疏水涂層仍存在蛋白質(zhì)和細(xì)菌黏附[2-3]、物理損傷后難以修復(fù)[4-5]、高壓或濕潤情況下難以形成穩(wěn)定的氣-液界面[6-7]等缺陷，Epstein等[8]也發(fā)現(xiàn)細(xì)菌會(huì)在PTFE和納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面聚集形成生物膜。因此有必要開發(fā)一種新的解決方案，以解決細(xì)菌等污垢在材料表面的黏附問題。

受自然界中豬籠草超潤滑表面的啟發(fā)，Wong等[9]通過在多孔材料表面灌注潤滑液構(gòu)建了超潤滑表面(slippery liquid infused porous surface， SLIPS)。其防污原理是通過將潤滑液體注入并鎖定在穩(wěn)定多孔結(jié)構(gòu)中，賦予潤滑表面優(yōu)異的流動(dòng)性，而微生物等污垢在這種SLIPS流體界面的黏附力極弱，因此很容易將其從超潤滑表面去除。與不穩(wěn)定的超疏水表面相比，SLIPS可在極端的溫度、壓力、表面張力以及其他條件下保持抗黏附穩(wěn)定性。

通過在多孔PTFE表面灌注潤滑油可制得防黏附性能優(yōu)異的超潤滑表面?，F(xiàn)有研究多采用膨體PTFE膜，其孔隙率約為50%，孔隙中能夠存儲(chǔ)的潤滑油非常有限。靜電紡絲技術(shù)是一種可制備高孔隙率(約80%)纖維膜[10]的技術(shù)，所制得的納米纖維膜具有直徑可控、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)[11]。PTFE因其獨(dú)特的性能而無法單獨(dú)紡絲成型。目前常見的紡絲方法，即將PTFE乳液與紡絲助劑如聚乙烯醇(PVA)混合成均一的紡絲溶液，紡絲液經(jīng)靜電場(chǎng)力的牽伸作用形成納米纖維并在接收器上聚集成納米纖維膜，纖維膜再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)促使紡絲助劑受熱分解，而PTFE微球熔融成纖，最終得到純PTFE纖維膜[12-13]。作為犧牲相，紡絲助劑的添加量越少對(duì)PTFE纖維性能的影響就越小。聚氧化乙烯(PEO)是一種水溶性良好的高分子聚合物，可作為犧牲材料用于PTFE靜電紡絲[10, 14-17]。Feng等[17]將超高分子質(zhì)量的PEO作為紡絲助劑，添加極少量的PEO即可制備PTFE/PEO納米纖維。而PVA作為紡絲助劑時(shí)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常達(dá)10%以上才能得到連續(xù)的纖維[18]。

采用靜電紡絲技術(shù)制備PTFE/PEO納米纖維膜，通過燒結(jié)工藝獲得具有高孔隙率的純PTFE納米纖維膜，再在纖維膜上灌注潤滑油得到表面具有優(yōu)異液體流動(dòng)性的仿豬籠草超潤滑表面，并對(duì)其滑移性能進(jìn)行表征。所制備的超潤滑PTFE表面在自清潔、防污處理、流體運(yùn)輸、醫(yī)用導(dǎo)管等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，有望減少材料表面的雜質(zhì)及微生物淤積造成的堵塞現(xiàn)象[19-21]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

PTFE濃縮分散液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的分散液)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；PEO，分子質(zhì)量為5×106g/mol，上海易勢(shì)化工有限公司；醫(yī)用級(jí)硅油，運(yùn)動(dòng)黏度分別為100、350和1 000 mm2/s，美國道康寧；去離子水，實(shí)驗(yàn)室供應(yīng)；正丁醇，500 mL，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；茜素紅，指示試劑，上海易勢(shì)化工有限公司。

ME204E型電子天平，瑞士METTLER TOLEDO；524G型磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；ET-2535H型靜電紡絲裝置，永康樂業(yè)科技發(fā)展有限公司；DZF-6020A型真空烘箱，上海力辰科技有限公司；L系列型馬弗爐，德國Nabertherm；DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡，上海田京公司；TGA 4000型熱重分析儀，美國PerkinElmer；DSC 4000型差示掃描量熱儀，美國PerkinElmer；OCA15EC型接觸角測(cè)量?jī)x，德國Dataphysics；S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立。

1.2 PTFE納米纖維膜的制備

采用超高分子質(zhì)量的PEO作為PTFE乳液的紡絲助劑制備PTFE納米纖維膜，制備流程如圖1所示。具體步驟：將一定量的PEO粉末溶解于蒸餾水，用磁力攪拌器于室溫?cái)嚢?4 h以上制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的PEO溶液；再向PEO溶液中添加不同質(zhì)量的PTFE乳液，機(jī)械攪拌4 h以上獲得均一的紡絲液；調(diào)節(jié)紡絲過程中的紡絲電壓、紡絲距離、推注速度，并用鋁箔紙作為支撐物收集PTFE/PEO納米纖維膜；將纖維膜置于40℃真空烘箱中干燥12 h，最后在馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，待除去PEO后得到純PTFE納米纖維膜。

圖1 純PTFE納米纖維膜的制備流程Fig.1 Preparation process of pure PTFE nanofiber membrane

1.3 仿豬籠草超潤滑表面的制備

聚硅氧烷是一類主鏈為重復(fù)的Si—O鍵、有機(jī)基團(tuán)連接在主鏈的硅原子上的聚合物，具有優(yōu)異的潤滑性能及化學(xué)惰性[22]。將燒結(jié)后的PTFE納米纖維膜浸泡在運(yùn)動(dòng)黏度為100、350和1 000 mm2/s的醫(yī)用級(jí)硅油中制備超潤滑PTFE膜，分別命名為PTFE-SO100、PTFE-SO350、PTFE-SO1000，浸泡一段時(shí)間后將薄膜取出并垂直放置以通過重力排出多余的潤滑油劑。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 微觀形貌表征

采用DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察PTFE/PEO納米纖維膜燒結(jié)前后的表觀形態(tài)，采用ImageJ軟件測(cè)試納米纖維的直徑，每種樣品測(cè)試100組，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

1.4.2 熱重分析

采用TGA 4000型熱重分析儀(TGA)測(cè)量紡絲原材料的分解溫度，以確定PTFE/PEO納米纖維膜的燒結(jié)溫度區(qū)間。對(duì)燒結(jié)前后的納米纖維膜的熱分解溫度進(jìn)行測(cè)試，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。測(cè)試條件：從30 ℃升溫至700 ℃，升溫速率為20 ℃/min，N2保護(hù)。

1.4.3 熔融溫度分析

采用DSC 4000型差示掃描量熱儀(DSC)分析紡絲原料PTFE的熔融溫度，試驗(yàn)重復(fù)3次。測(cè)試條件：從30 ℃升溫至350 ℃，升溫速率為20 ℃/min，N2保護(hù)。

1.4.4 能譜測(cè)試

采用與S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡配套的能譜儀(EDS)測(cè)試燒結(jié)前后納米纖維膜的元素組成及元素分布。

1.4.5 孔隙率測(cè)試

采用質(zhì)量法[23]測(cè)定PTFE膜的孔隙率及標(biāo)準(zhǔn)差，將燒結(jié)后的PTFE納米纖維膜樣品剪成2 cm×2 cm，在正丁醇溶液中充分浸潤，除去膜表面多余的正丁醇后，根據(jù)式(1)計(jì)算PTFE納米纖維膜的孔隙率。

(1)

式中：m2為被正丁醇浸潤后PTFE膜的質(zhì)量，g；m1為干燥PTFE膜的質(zhì)量，g；A為PTFE膜的表面積，cm2;d為PTFE膜的平均厚度(測(cè)量5個(gè)點(diǎn)取平均值所得)，cm;ρ為正丁醇的密度,g/mL。

1.4.6 水接觸角測(cè)試

使用OCA15EC型接觸角測(cè)量?jī)x(WCA)，通過懸液法將體積為5 μL的去離子水滴至材料表面測(cè)定樣品表面的靜態(tài)水接觸角，每個(gè)樣品選取5個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

1.4.7 滾動(dòng)角測(cè)試

采用如圖2所示的裝置[24]，將貼有待測(cè)樣品的載玻片置于斜面上，并于材料表面滴50 μL的去離子水，擰動(dòng)螺絲使斜面緩緩上升，直至觀察到液滴滾動(dòng)時(shí)測(cè)量并記錄斜面與桌面的夾角即材料的滾動(dòng)角。每組樣品測(cè)試5次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

圖2 滾動(dòng)角測(cè)試裝置Fig.2 Test device of sliding angle

1.4.8 滑移速度測(cè)試

將待測(cè)試樣品固定在載玻片上，樣品的傾斜角度固定為10°，用移液槍吸取50 μL茜素紅染色的去離子水滴于樣品表面，記錄樣品從玻片上滑移的時(shí)間，滑移距離與滑移時(shí)間的比值即為滑移速度。每組樣品測(cè)試5次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

1.4.9 PTFE膜的滑移穩(wěn)定性能測(cè)試

參照Epstein等[8]的測(cè)試方法，將灌注有不同潤滑液的PTFE膜浸泡在pH=1的鹽酸和pH=14的氫氧化鈉溶液中，并在溫度為(20±1)℃、相對(duì)濕度為(65±2)%的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室下進(jìn)行蒸發(fā)處理，在1、3、5、7 d后取出并對(duì)其滾動(dòng)角及滑移速度穩(wěn)定性進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲液中PTFE/PEO質(zhì)量比對(duì)PTFE納米纖維膜形態(tài)的影響

紡絲助劑PEO的添加量越少，對(duì)PTFE納米纖維膜的影響就越小。根據(jù)表1配制不同PTFE/PEO質(zhì)量比的紡絲溶液(紡絲溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為30%)，在紡絲電壓正壓為9 kV、負(fù)壓為1 kV，接收距離為20 cm，推注速度為0.25 mL/h的條件下，采用21G的針頭進(jìn)行靜電紡絲。

表1 PTFE/PEO靜電紡絲溶液成分

PTFE納米纖維膜的表觀形貌和纖維直徑分布如圖3所示。當(dāng)PEO添加量較少時(shí)，PEO無法將PTFE微球連接成連續(xù)的纖維。由圖3可知：當(dāng)PTFE/PEO的質(zhì)量比為99∶1時(shí)，得到PTFE微球；當(dāng)PTFE/PEO的質(zhì)量比為98.5∶1.5時(shí)，PTFE微球黏結(jié)在PEO纖維上，且纖維的直徑較小；隨著PEO添加量的增加，PTFE微球減少，取而代之的是成型的纖維。

(a) PTFE/PEO納米纖維膜的SEM圖

(b) PTFE/PEO納米纖維的直徑分布

當(dāng)PTFE/PEO的質(zhì)量比為97∶3時(shí)，微球消失，得到連續(xù)且均勻的PTFE/PEO納米纖維。納米纖維直徑取決于PTFE/PEO的質(zhì)量比，并隨PEO添加量的增加而增大。當(dāng)PTFE/PEO的質(zhì)量比為97∶3時(shí)，纖維平均直徑為(447±79)nm；當(dāng)PTFE/PEO的質(zhì)量比為95∶5時(shí)，纖維平均直徑增大至(1 191±267) nm。綜合考慮PTFE的經(jīng)濟(jì)因素及力學(xué)性能等要素，在PTFE/PEO納米纖維呈連續(xù)且結(jié)構(gòu)均勻的前提下，PEO添加量應(yīng)越少越好，因此優(yōu)選PTFE/PEO的質(zhì)量比為97∶3的紡絲液進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)探索。

2.2 PTFE/PEO纖維膜燒結(jié)前后熱學(xué)性能分析

通過靜電紡絲得到的PTFE/PEO納米纖維膜是由紡絲助劑PEO包裹PTFE微球形成的表面有顆粒感的纖維，未經(jīng)熱處理的PTFE/PEO納米纖維強(qiáng)度極弱，無法滿足工業(yè)及醫(yī)用需求。對(duì)PTFE/PEO納米纖維膜進(jìn)行燒結(jié)處理是制備具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值PTFE膜的關(guān)鍵步驟，通過燒結(jié)處理可去除紡絲助劑PEO，并且高溫可使PTFE微球熔融從而粘連形成純PTFE納米纖維膜。PEO的分解溫度tf及PTFE的熔融溫度tm對(duì)PTFE纖維膜燒結(jié)溫度的確定具有重要指導(dǎo)意義。紡絲原料PEO、PTFE及燒結(jié)前后PTFE/PEO納米纖維膜的DSC和TGA曲線如圖4所示。

由圖4可知，對(duì)于紡絲助劑PEO，TGA曲線顯示PEO在400 ℃左右開始分解，在460 ℃左右完全分解。對(duì)于紡絲原料PTFE，DSC曲線表明PTFE的tm約為337 ℃，TGA曲線顯示PTFE在430 ℃左右有部分質(zhì)量損失，這可能是由PTFE原料中的表面活性劑分解所致[17]。PTFE在600 ℃左右開始分解，在640 ℃左右殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足1%。DSC圖像顯示，納米纖維膜中PEO組分的特征峰在燒結(jié)后消失，表明PEO組分在高溫?zé)Y(jié)過程中已被除去。TGA曲線中前體PTFE/PEO納米纖維膜的兩步質(zhì)量損失也對(duì)應(yīng)著PEO和PTFE的分解。

EDS元素分析可以證明高溫?zé)Y(jié)對(duì)納米纖維膜元素組成的影響，PTFE/PEO納米纖維膜燒結(jié)前后的EDS圖譜如圖5所示。由圖5可知，燒結(jié)前的納米纖維膜由C、F、O 3種元素組成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25.65%、2.90%、71.45%，而在400 ℃下燒結(jié)處理10 min后纖維膜中不再含O元素，表明經(jīng)燒結(jié)處理纖維膜中的PEO已完全去除。

圖5 燒結(jié)前后PTFE/PEO納米纖維膜的EDS曲線Fig.5 EDS curve of PTFE/PEO nanofiber membrane before and after sintering

2.3 燒結(jié)工藝對(duì)PTFE/PEO膜形態(tài)的影響

前體PTFE/PEO納米纖維膜在燒結(jié)過程中，PEO發(fā)生分解并從纖維膜中分離，PTFE微球達(dá)到熔點(diǎn)并熔融黏結(jié)成連續(xù)的纖維。在340、360、380、400、420、440、460 ℃的馬弗爐中將前體PTFE/PEO纖維膜燒結(jié)10 min，燒結(jié)后PTFE/PEO纖維膜的微觀形貌如圖6所示，其中燒結(jié)時(shí)間固定為10 min。由圖6可知，當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為340和360 ℃時(shí)，SEM圖顯示此時(shí)PTFE/PEO纖維為若干微球黏結(jié)形成的不連續(xù)纖維。這可能是由于在此溫度下，部分PEO發(fā)生分解，PTFE也開始熔融，但是熔融的PTFE還未能彌補(bǔ)PEO分解后留下的“孔隙”，導(dǎo)致纖維不連續(xù)。當(dāng)燒結(jié)時(shí)間高于380 ℃時(shí)，PTFE微球熔融黏結(jié)成連續(xù)的纖維；當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)420 ℃以上時(shí)，纖維的交織點(diǎn)間出現(xiàn)黏結(jié)現(xiàn)象；當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)460 ℃時(shí)，纖維進(jìn)一步黏結(jié)變形，此時(shí)纖維膜的表面已明顯發(fā)生收縮變形。

固定燒結(jié)溫度為400 ℃，將PTFE/PEO纖維膜置于馬弗爐中進(jìn)行不同時(shí)間的燒結(jié)。不同燒結(jié)時(shí)間下的PTFE/PEO纖維膜形貌如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為5和10 min時(shí)，纖維表面未發(fā)生明顯變化，但相比燒結(jié)5 min的纖維，燒結(jié)10 min的纖維表面更平滑，微球顆粒感更微弱；當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為15和20 min時(shí)，纖維變細(xì)并且部分纖維發(fā)生斷裂，此時(shí)纖維膜表面出現(xiàn)細(xì)微的裂紋；當(dāng)燒結(jié)時(shí)間延長至25 min及以上時(shí)，纖維發(fā)生明顯的黏結(jié)變形及收縮變形。

注：圖(a)～(h)的試驗(yàn)條件依次對(duì)應(yīng)未處理及340、360、380、400、420、440、460 ℃的燒結(jié)溫度。圖6 燒結(jié)溫度對(duì)PTFE/PEO膜表觀形貌的影響Fig.6 The influence of sintering temperature on the morphology of PTFE/PEO membrane

注：圖(a)～(h)依次對(duì)應(yīng)5、10、15、20、25、30 min的燒結(jié)時(shí)間。圖7 燒結(jié)時(shí)間對(duì)PTFE/PEO膜表觀形貌的影響Fig.7 The influence of sintering time on the morphology of PTFE/PEO membrane

從上述燒結(jié)工藝的單因素試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度為380～420 ℃、燒結(jié)時(shí)間為10～20 min時(shí)，PTFE納米纖維能保持較好的表觀形態(tài)。因此，對(duì)該燒結(jié)溫度區(qū)間和燒結(jié)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的PTFE納米纖維膜的水接觸角及孔隙率進(jìn)行研究。納米纖維膜燒結(jié)后的微觀形態(tài)及水接觸角如圖8所示，水接觸角和孔隙率的具體數(shù)值如表2所示。

由圖8可知，PTFE納米纖維膜表面的浸潤性均為疏水狀態(tài)(水接觸角均大于90°)，個(gè)別樣品表面的浸潤性為超疏水狀態(tài)(水接觸角大于150°)，這是因?yàn)镻TFE納米纖維膜的低表面性能和表面的微納粗糙結(jié)構(gòu)有助于提高膜的疏水性能。在相同的燒結(jié)溫度下，纖維膜的孔隙率隨燒結(jié)時(shí)間的延長而呈下降趨勢(shì)，這是由于隨燒結(jié)時(shí)間的增加，纖維間的融合更為緊密，因此造成孔隙率的下降。同理，在相同的燒結(jié)時(shí)間下，纖維膜的孔隙率也隨燒結(jié)溫度的升高而下降。采用靜電紡絲技術(shù)制備的PTFE納米纖維膜的孔隙率要顯著高于市售膨體PTFE膜的孔隙率(54.1±3.3)%，因此采用靜電紡絲技術(shù)制備高孔隙率的PTFE納米纖維膜具有極大的優(yōu)勢(shì)。

注：圖(a)～(h)依次對(duì)應(yīng)380 ℃、10 min；380 ℃、15 min；380 ℃、20 min；400℃、10 min；400 ℃、15 min；400 ℃、 20 min；420 ℃、10 min；420 ℃、15 min；420 ℃、20 min。圖8 不同燒結(jié)工藝下PTFE膜的形貌及水接觸角Fig.8 Morphology and water contact angle of PTFE membrane under different sintering processes

表2 不同燒結(jié)工藝下PTFE膜的水接觸角及孔隙率

2.4 超潤滑PTFE膜的浸潤性表征

在400 ℃下燒結(jié)10 min后得到的PTFE納米纖維膜表面灌注不同潤滑油以制備超潤滑PTFE膜，并對(duì)其表面的浸潤性及滑移性能進(jìn)行表征。各樣品的靜態(tài)水接觸角和滾動(dòng)角結(jié)果如圖9所示。

圖9 潤滑型PTFE膜表面浸潤性Fig.9 Surface wettability of smooth PTFE membrane

由圖9可知，未處理的PTFE納米纖維膜表面呈超疏水性，水接觸角為(150.1±7.1)°。在PTFE纖維膜表面灌注不同黏度的醫(yī)用級(jí)硅油后，材料表面的水接觸角都有所減小，但仍大于90°。經(jīng)不同黏度硅油處理的PTFE纖維膜表面的水接觸角分別降至(101.1±5.5)°、(95.9±4.4)°、(97.0±2.1)°。采用SPSS軟件對(duì)材料表面的水接觸角進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果表明，灌注硅油后PTFE纖維膜表面的水接觸角與未灌注前有顯著性差異(P<0.05)，但灌注不同黏度硅油后的PTFE纖維膜表面的水接觸角之間無顯著性差異(P>0.05)，這是因?yàn)榛票砻娴幕瘜W(xué)成分是相同的[25]。滾動(dòng)角測(cè)試結(jié)果顯示，灌注不同黏度的硅油后，水滴在小于4°的傾斜角上均能夠順利滑落，表明制備的超潤滑表面具有出色的滑移性能，能有效防止污液在潤滑表面的停留，而未處理的PTFE纖維膜表面水滴在垂直狀態(tài)下都難以滑落。超潤滑表面的滾動(dòng)角大小與所灌注硅油的黏度呈正相關(guān)。這是因?yàn)殡S硅油黏度增加，PTFE纖維膜表面的張力增大，因此水滴在其表面較難滑動(dòng)。

50 μL茜素紅染色水溶液的水滴在超潤滑PTFE膜表面的滑移圖像如圖10所示。由圖10可知：將樣品表面傾斜角固定為10°，液滴牢固附著在未處理的PTFE纖維膜表面幾乎不滑移；而灌注了硅油的樣品表面可觀察到明顯的液滴滑移現(xiàn)象，但各樣品表面液滴的滑移速度均不相同。液滴在黏度為100 mm2/s的硅油表面的滑移速度最快，滑落時(shí)間僅為6 s且不留痕跡，滑移速度高達(dá)(10.95±0.61)mm/s；在黏度為350和1 000 mm2/s 硅油的材料表面的滑移時(shí)間分別為16和44 s，對(duì)應(yīng)的滑移速度分別為(4.80±0.10)和(1.74±0.03)mm/s。由此可見，液滴在材料表面的滑移速度與所灌注硅油的黏度呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)楣栌宛ざ仍酱?，PTFE纖維膜表面張力越大，因此液滴的滑動(dòng)速度越小。

圖10 50 μL茜素紅染色水溶液在潤滑型PTFE膜表面滑移情況Fig.10 The slippage of 50 μL alizarin red staining water solution on the surface of smooth PTFE membrane

2.5 超潤滑PTFE膜表面的滑移穩(wěn)定性表征

灌注潤滑油的超潤滑表面在酸、堿及恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室蒸發(fā)的環(huán)境下浸泡1、3、5、7 d后，水滴在超潤滑PTFE膜表面的滾動(dòng)角和滑移速度如圖11所示。由圖11可知，所有灌注硅油的PTFE表面的滾動(dòng)角仍小于5°，液滴在材料表面的滑移速度雖略有下降，但依舊能迅速且順利地從材料表面滑落，表明PTFE納米纖維膜表面仍然覆蓋有流動(dòng)性能優(yōu)異的潤滑油劑。由此可見，這種超潤滑表面具備良好的理化穩(wěn)定性，在酸、堿等水性溶液中的滑移穩(wěn)定性略優(yōu)于暴露在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中，這是由于超潤滑表面的硅油在恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下略有蒸發(fā)，但在水性環(huán)境中能較好地保持，也間接證明這種超潤滑表面具備良好的拒水性。

(a) 材料表面滾動(dòng)角 (b) 材料表面滑移速度圖11 潤滑型PTFE膜表面在酸性、堿性、蒸發(fā)條件下的滑移穩(wěn)定性Fig.11 Sliding stability of the smooth PTFE membrane surface under acidic, alkaline, and evaporating conditions

3 結(jié) 語

通過靜電紡絲技術(shù)制備PTFE/PEO納米纖維膜，通過高溫?zé)Y(jié)工藝得到純PTFE納米纖維膜，并在其表面灌注硅油后得到滑移性能優(yōu)異的超潤滑表面，并對(duì)超潤滑表面的滑移性能和滑移穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在成纖的前提下，紡絲助劑PEO的添加量應(yīng)越少越好。當(dāng)PTFE/PEO質(zhì)量比為99∶1、98.5∶1.5、98∶2時(shí)，PEO添加量因過少而無法將PTFE微球粘連成纖。當(dāng)PTFE/PEO的質(zhì)量比為97∶3時(shí)可制得連續(xù)的PTFE纖維，纖維直徑也隨著PEO添加量的增加而增大。

(2) 在400 ℃左右的高溫下燒結(jié)10 min可全部除去PTFE/PEO納米纖維膜中的PEO組分，從而得到純PTFE多孔納米纖維膜。

(3) 在純PTFE納米纖維膜上灌注硅油后可得到滑移性能優(yōu)異的超潤滑表面。水接觸角結(jié)果顯示，滑移表面的親水性能增強(qiáng)，低于4°的傾斜角液滴即可順利滑落，并且這種滑移表面在pH=1的酸溶液和pH=14的堿溶液以及在溫度為(20±1)℃、相對(duì)濕度為(65±2)%的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室蒸發(fā)下均能保持理想的滑移穩(wěn)定性，在防污、防黏附等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。