纤维素基多元协效仿生水收集材料的结构设计、制备与性能
批准号:
52073189
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
宋飞
依托单位:
学科分类:
高分子材料与环境
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋飞
中文摘要
为解决淡水匮乏问题,研制具有雾中取水功能的水收集材料已成为高分子材料领域的研究热点之一。但受限于设计原理,当前研究尚无法兼顾水汽收集过程中水汽捕获、液滴融合、液滴运输和液体收集这四个核心环节,水收集效率较低,严重限制了该类材料的应用,成为其进一步发展亟待解决的科学问题。本项目提出将沙漠甲虫、猪笼草、水稻叶和仙人掌刺在水汽捕获、液滴快速清除、液体定向运输和促进液滴融合等方面的特性融入材料设计中,采用二/多元协效仿生策略构建具有亲水/润滑图案化表面的纤维素基集水材料。通过在润滑表面构筑不同形态的亲水点阵或槽状结构,考察亲水结构的形态差异及在润滑表面比例对液滴运输和水收集性能的影响,并基于液滴凝结与运输的动力学研究,阐明亲水图案结构构筑对四个环节的协效调控机理;通过材料的表面图案结构优化,研制出性能优异且可长效使用的纤维素集水材料。本项目可为推动纤维素材料的功能化研究提供新思路和科学借鉴。
英文摘要
With the growth of the world economy and the increase in population, human demand for water continues to increase. At present, 3.6 billion people are potentially experiencing water scarcity for at least one month per year, and this population may increase to 4.8−5.7 billion by 2050. Reclaiming water from available sources in clean and efficient ways and seeking alternative water sources have thus become greatly significant to overcome the water scarcity crisis. Inspired by natural plants and creatures that can collect water from air, mimic multifunction systems with fog harvesting and vapor condensation properties have attracted increasing attention in the recent years. However, limited by the design mechanisms, the four processes of water harvest, water vapor capture, droplet fusion, droplet transport and liquid collection, cannot be overall considered in current researches, resulting in the insufficient water collection efficiency as well as limiting the applications of such materials. To address the issue, in this project, we propose to incorporate the features of desert beetles, pitchers, rice leaves and cactus needles into material design, developing hydrophilic/slippery patterned cellulose-based films with water harvesting function by a dual/multiple synergistically biomimetic strategy. Different hydrophilic dot arrays and groove-structures will be constructed on slippery surfaces. The effects of the pattern shapes and content of hydrophilic domains on the water harvesting process will be investigated. The dynamic processes of droplet condensation and transport will be monitored and analyzed. The relevant mechanism for synergistically controlling the four processes will be disclosed. By optimizing the structures of the patterned surfaces, cellulose-based water harvesting materials with high-performance will be obtained. The above researches are capable of providing new thoughts and scientific basis for functionalization of cellulose materials.
为应对淡水匮乏问题,研制具有雾中取水功能的水收集材料已成为高分子材料领域的研究热点之一。本项目依照研究目标,构筑了基于纤维素材料的单一/多重仿生表面,最终实现了水汽收集过程中水汽捕获、液滴融合、液滴运输和液体收集这四个核心环节的协同调控,大幅度提升了水汽收集效率及长效使用性能。为了解决集水材料所收集水的使用安全性问题,项目受沙漠甲虫表面结构所启发,通过在纤维素材料表面引入Ag和TiO2纳米颗粒并进行选择性疏水修饰,制备了具有高效集水性能和抗菌性能的超亲水/超疏水图案化纤维素复合膜,系统研究了图案化结构对集水效率和抗菌性的影响,并阐明了高效集水的机理;在此基础上,选用介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN)替代表面光滑结构的TiO2纳米颗粒,构建了具亲水多孔结构的超亲水/超疏水图案化纤维素膜,系统研究了多孔结构对润湿性差异及表面集水性能的影响。为了进一步解决上述表面应用长效性不足的缺陷,受猪笼草的液体灌注润滑表面现象所启发,将全氟癸基三氯硅烷修饰的MSN引入纤维素材料表面,并依据润滑剂的表面张力、粘度及与水的混溶性等因素,选择了不同的润滑剂构建了润滑表面,考察了多孔结构和润滑剂对SLIPS集水性能的影响;在此基础上,为了提升润滑剂在表面的储存性,采用水滴模板法构筑了三醋酸纤维素多孔表面,并进一步通过硅氧烷的原位水解缩聚构筑了多级微纳结构,对比研究了纳米结构构筑对润滑剂存储性能及长期集水性能的贡献;在此基础上,通过四元仿生构建了润滑-超亲水复合图案化表面,系统考察了多元结构对水汽捕获、液滴融合、液滴运输和液体收集四个步骤的影响规律,提出了结构-性能调控相关机理。研究结果为新型纤维素高性能集水材料的研究提供了科学依据和借鉴。. 相关研究结果在Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Chinese Chemical Letters等 SCI 收录期刊发表论文13篇,其中第一标注7篇、第二标注4篇、第三标注2篇;培养研究生3人。
秸秆纤维素的高效提取及高性能/功能生态材料的构建与性能调控机制
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批准号:U21A2096
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项目类别:--
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资助金额:260万元
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批准年份:2021
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负责人:宋飞
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依托单位:
兼具可控结构色和发光性能柔性纳米纤维素膜的构建与性能调控机理研究
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批准号:51773133
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项目类别:面上项目
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资助金额:63.0万元
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批准年份:2017
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负责人:宋飞
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依托单位:
超疏水大豆蛋白膜的表面多级微纳结构设计与性能调控
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批准号:51403136
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2014
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负责人:宋飞
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依托单位:
国内基金
海外基金