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福州大學賴躍坤教授團隊《Adv. Mater.》:點擊反應快速制備柔性多功能類液體防污涂層新策略
2022-09-09  來源:高分子科技

  拒液表面在理論研究和實際應用中都是最受關注的,例如防污、無損運輸、微流體、生物分析、液體收集、微反應器等。特別是防水表面發展迅速,實現了灰塵和水溶性污染物的快速去除。然而,由于油的表面張力較低,因此獲得拒油表面更具挑戰性。例如,原油泄漏后會緊密粘附在各種表面上,這會導致嚴重的底物污染,甚至可能使所有設備失效。此外,制備的涂層普遍希望具有強結合力、高透明度、優異的彎曲性和硬度。盡管已經在許多材料中實現了個別功能,但在不相互影響的情況下滿足所有要求仍然是一個主要挑戰。例如,難以同時滿足超疏油性、機械強度和透明度,限制了實際應用。


  鑒于此,福州大學賴躍坤教授團隊和新加坡國立大學林志群教授報告了一種穩健的策略,通過合理設計半互穿聚合物網絡結構,在30秒內快速制造出無氟防油涂層LPC)。所得涂層在空氣和水下均表現出很強的粘合能力,不僅提供了優異的拒油性(即使是對高粘度原油),還兼具出色的透明度、可彎曲性和機械穩定性。這簡單而有效的設計策略為制造具有理想特性和結構復雜性的多功能材料和設備開辟了一條新途徑,用于可持續防污、減阻、無損運輸、液體收集和生物醫學等領域。


涂層的結構及設計原理


  該工作選擇巰基官能化有機硅氧烷 (POSS-(SH)8)與聚(苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯)(SBS)的乙烯基發生巰烯光點擊反應,同時羥基封端的聚二甲基硅氧烷 (OH-PDMS-OH) 形成。在該涂層中,POSS提供了涂層防污性能,其納米籠狀硅核提高涂層的機械抗性SBS增強基材的韌性和粘合能力OH-PDMS-OH作為類液體狀潤滑層,進一步賦予涂層優異的防污性能。硫醇-烯點擊反應可在30 s內完成防污LPC涂層的快速制備;一步法制備半互穿纏結網絡的設計減少了復雜的合成步驟(圖1 


1. 點擊反應一步制備過程


涂層的防污性能


  該LPC涂層具有高透明度和出色的防污性能。各種有機液體,包括低表面張力液體乙醇、高粘度的原油具有均能以較小的滑動角從表面滑落。優異的防污性能不僅可以防止表面污染,還可以使該涂層適用于原油等多種液體收集應用。如圖 2g-2h 所示,對比未處理的鋼片基底,LPC涂層改性的鋼片實現了原油的全部回收。同時,涂層優異的低粘附還能夠降低3M膠帶的粘附(圖2i-2j)。這種抗膠帶粘附性能表明涂層具有作為脫模劑的潛力,可以防止產品粘在模具上,保護模具表面。 


2. 涂層的防污性能


涂層的粘附性能(結合力)


  通過引入SBS作為粘合劑,同時利用SBS和 POSS-(SH)8 之間的高交聯度,實現了LPC涂層在空氣和水下與不同的基材具有強的粘合力。例如,LPC涂層PET基底上的結合力能夠吊起高達 2 kg重量的砝碼(圖 3b),表明LPC涂層作為粘合劑材料的潛力。引人注目的是,與那些報道的在空氣和水下的粘合劑相比,LPC涂層的粘合強度非常出色(圖 3d在不同基材上的強粘合強度突出了LPC作為空氣和水下通用粘合劑的多功能性。 

3. LPC涂層與基材結合能力強


涂層的機械性能


  同時實現硬度和靈活性對于工程材料來說至關重要。半互穿纏結網絡的巧妙設計提供了涂層優異的機械穩定性。根據SY/T 7394-2017標準對LPC涂層進行管道環路沖蝕試驗。LPC涂層表面僅有輕微的沖擊痕跡,沖蝕速率大幅度降低。同時,在將涂有 LPC 的鋁基板彎曲變形后,表面仍然可以防止原油粘附(圖 4f),顯示出其優異的柔韌性。 


4. LPC涂層的機械耐久性和彎曲性。


  總之,該研究報道了一種通過巰烯點擊反應構建半互穿聚合物網絡來制備類液體聚合物涂層的有效方法。涂層可在30秒內快速交聯,制備時間大大縮短。新穎的結構設計不僅避免了復雜的接枝過程,而且賦予表面多種特性,包括優異的抗污性、強的界面結合、彎曲性和機械穩定性。尤其是,論是在空氣中還是在水下,該涂層在不同基材上的剪切強度高于大多數粘合劑,無如此強的界面結合在先前的拒液涂層實例中是前所未有的制成的LPC涂層還具有其他引人注目的性能,包括在各種基材上的普遍適用性、無氟和高透明度。因此,該LPC涂層可廣泛應用于防污、減阻、無損運輸、自清潔、液體收集和通用粘合劑。這種半互穿聚合物網絡的巧妙設計策略為制備具有一系列非常理想的特性的拒液材料提供了一條快速可行的途徑,為具有理想特性和結構復雜性的多功能材料和設備開辟了一條新途徑,用于可持續防污、減阻、無損運輸、液體收集和生物醫學等領域。


  該工作以Judicious Design and Rapid Manufacturing of Flexible, Mechanically Resistant Liquid-like Coating with Strong Bonding and Antifouling Abilities為題發表在《Advanced Materials》,文章第一作者是福州大學石油化工學院博士研究生鄭微微,通訊作者為福州大學賴躍坤教授,黃劍瑩教授和新加坡國立大學林志群教授。該工作得到了國家自然科學基金(5197206322075046)、福建省杰出青年基金(2020J06038等項目的資助


  課題組網站:https://yklai.fzu.edu.cn/index.htm


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202204581

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(責任編輯:xu)
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