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“种草”种出超强自愈性超疏水材料

从模仿荷叶开始,人们对于超疏水表面已经开展了众多的深入研究,取得了丰富的成果。基于表面微纳结构和表面化学性质(低表面能)的调控,可以简便地构筑不同的超疏水表面。不过,实际应用中超疏水表面的结构容易遭到破坏,因此具有自愈性的超稳定超疏水涂层在诸多领域有着广泛需求。目前,超疏水涂层的自愈,实现方式主要包括基材组分发生化学反应修复和基体储存“液态”材料的表面渗透迁移修复。但是,上述策略往往存在修复材质降解、组分挥发流失/利用率低及缺乏长期使用稳定性等缺点。


近日,日本产业技术综合研究所(AIST)的Atsushi Hozumi博士研究团队发现了一种新的方法来构筑自愈性超稳定超疏水涂层。他们在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基材内注入两种液体:丙基三氯硅烷(TCPS)和低粘度硅油(SO),TCPS会在湿气氛围下水解、缩聚,自组装成“草”状微纤维并赋予表面超疏水性和优异的机械性能,而SO的表面渗透性赋予材料优异的自愈合性,这样PDMS-SO/TCPS材料超疏水表面就同时具备了自愈合性和长期稳定性。

自愈性超疏水表面构筑示意图及表面硅树脂“草”形貌表征。图片来源:Langmuir


PDMS-SO/TCPS材料中的丙基三氯硅烷(TCPS)从基材中逐渐渗出,在湿气氛围下很容易发生水解和缩聚反应,从而在PDMS基材表面生成类似“草”的圆锥形微纳尺度纤维(硅树脂“草”)。这种“草”的纤维直径在300 nm至1 μm,长度在10 μm至30 μm。电镜(SEM、TEM)测试表明其纤维表面存在微突结构。研究表明,表面“草”状纤维一方面能够提高其涂层的机械性能,另一方面能够起到“锁定”作用,防止低粘度SO渗出损耗。


研究团队对体系中PDMS、SO、TCPS三组分含量对材料表面形貌及性能的影响进行了探究。当TCPS/SO/PDMS含量比为20:70:100(vol %)时,表面生成无规则的微孔隙;而提高TCPS/PDMS比例时(20 vol % → 30 vol %),表面则形成微裂纹形貌。但是,三组分的含量配比对其表面疏水性能影响不大。

材料组成对表面微纳形貌及疏水性的影响。图片来源:Langmuir


对材料表面氧等离子体(OP)处理进行涂层耐用性测试,不同OP时间处理(30min、5h、12h、24h)条件下,在湿空气氛围下材料表面都能实现较迅速的超疏水性恢复,OP处理耐受性显著提高。同时,材料表面展现出优异的耐刮擦性能。

等离子处理及摩擦测试对材料性能的测试。图片来源:Langmuir


研究人员通过构筑表面微纳结构矩阵等对比试验对其超强自愈性机理进行了深入探究。研究表明,材料表面裂纹或微孔隙的存在利于低粘度SO材质的迅速渗出进行材料表面修复,而表面的纤维结构则保证了材料表面超长的OP耐受性,两个因素缺一不可。

超强自愈性机理及影响因素探索。图片来源:Langmuir


——总结——


通过丙基三氯硅烷在弹性基底表面的水解缩聚反应结合基体内低粘度硅油的存储,Atsushi Hozumi博士团队构筑了具有超强自愈合性能的超疏水涂层。该涂层克服了以往自愈合涂层的诸多局限性,展现出优异的户外耐候性、化学稳定性和耐湿热性能等,极大的拓展了其应用范围。同时,该研究为新一代自愈合超疏、双疏涂层的制备和发展提供了借鉴。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Self-Healing Superhydrophobic Materials Showing Quick Damage Recovery and Long-Term Durability

Langmuir, 2017, 33, 9972-9978, DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b02343


(本文由宗传永-济大供稿)


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