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此超级防水涂层还具备有效的物质装载和强大的自清洁性能!
2022年01月27日    阅读量:     新闻来源:高分子科学前沿  |  投稿

鸭子从河中上岸之后,发现它的羽毛却没有任何沾水的痕迹,难道鸭子的羽毛天生就有防水的功能吗?

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在夏天的雨后会看到荷叶上面会有一排一排的小水滴,一阵风吹过后,水滴会在荷叶上摇摇欲坠,来回的晃动。这些水为什么无法将整片荷叶彻底打湿呢?

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这就是超排斥表面的神奇之处!超级排斥表面是一类具有不湿润/不污染特性的表面,它在需要减少阻力、低污染、增强货物装载和/或控制液体运输的领域有广泛的应用。


依据大自然的“仿生学”的原理,湖南大学潘帅军博士用氰基丙烯酸酯胶(粘结剂)将氟化的多面体倍半硅氧烷(POSS)粘合生成了超排斥涂层(接触角>150°)——复合POSS-粘合剂涂层,它显示出超低的表面能(≈10 mJ m−2),同时与基底仍有较大的表面粘附(300-400 nN)中国涂料在线coatingols.com。涂层对腐蚀性液体和超低表面张力液体都显示出超排斥性,具有超低滚转角(<5°),对液体渗透的阻力可调。此外,涂层还具备有效的物质装载和强大的自清洁性能。


相关工作以“Exploiting Molecular Dynamics in Composite Coatings to Design Robust Super-Repellent Surfaces”发表在《Advanced Science》。

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 # POSS-粘合剂涂层的制备


该团队使用了一种包含可聚合粘合剂(氰基丙烯酸乙酯,ECA)的双组份涂层系统,该粘合剂通过极性或非极性相互作用与不同底物具有较高的结合亲和力。


POSS作为前驱体,具有低能量还可作为成核剂,形成了层次粗糙的多孔结构,有助于保持涂层表面的空气层,从而有助于超排斥性。分子动力学模拟结果表明,尽管粘结剂和POSS可以相互结合,并在分散相互作用的驱动下形成连续的纳米多孔框架。纳米孔有助于保持表面的空气,以实现更好的排斥力(即更高的接触角),并产生更高的毛细管压力(即防湿或抵抗局部突破)。


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图1 POSS-粘合剂体系的分子动力学研究



 # POSS-粘合剂涂层的理化性质

和超排斥性


经POSS-粘合剂复合材料涂层后,光滑的云母基板(≈0.1 nm)的粗糙度显著增加为原来的约1000倍,这种相分离的有助于形成排斥表面(即粗糙表面处的空气捕获)。基于最小自由表面能量原理,少量的低能改性可以显著降低整个复合材料的表面能。随着POSS含量的增加,复合材料的总表面能减小,当POSS含量为>10 wt%时,其最小表面能约为10 mJ m−2。


此外,200℃退火处理也没有改变粘结剂的表面或复合材料的表面,表明了它们在高温下的潜在应用。总之,粘结剂的粘接性能和POSS的低能性能共同决定了该涂料的超排斥特性。

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图2 平面复合涂层(20% POSS)及其界面性能


我们喷涂POSS粘结剂复合材料可以在金属丝表面形成均匀的分层结构的涂层,不会阻塞纤维间的间距,从而允许孔隙减少固液接触。涂层表面能够抵抗在距离表面约7 mm处释放的乙醇液滴的连续撞击而不发生液体渗透(或润湿),表明其对超低表面张力液体(乙醇)也具有超排斥性。此外,超低接触角滞后性和滚落角共同证明了在垂直和横向上的超低固液相互作用。

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图3 喷涂超排斥POSS-粘结剂涂料




 # POSS-粘合剂涂层稳定性

和鲁棒性


超排斥表面的稳定性和鲁棒性是导致实际应用的一个重要因素。突破压力(Pb,即从非湿润到湿润的最小液压压力)是非润湿状态稳健性的一种度量,涂层的Pb很大程度上取决于探针液的表面张力,即Pb在水中最大(≈1000 Pa),在纯乙醇中最低(≈90 Pa),Pb还可以通过网格衬底的纤维间距进行调节,间距越小,Pb越大。


超排斥涂料还可以抵抗腐蚀性液体,包括浓酸和浓碱。此外,POSS具有出色的热稳定性,复合涂层在高达150°C的高温下也很稳定。此外,经10种化学试剂、UV-O3、剥落测试等处理后也没有发生明显的化学浸出,具有优异的化学稳定性和机械稳定性。而且,在荧光溶液中孵育10 min后,超驱避涂层也没有出现明显的染色,进一步证实了超驱避涂层的鲁棒性。


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图4 超排斥涂料的稳定性

 # 货物装载应用


该团队进一步研究了在静态或运动过程中施加外力时,涂层网格基板的超排斥性。结果发现,超级防喷涂层具有保护在恶劣条件下执行任务的海洋车辆的潜力,如石油泄漏航道,或泰坦上的碳氢化合物湖的勘探。此外,该涂层的超排斥性、装载量和在液体表面的滑动运动使其具有良好的减阻应用前景。


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图5 超排斥涂层的货物装载应用-在液体表面上的漂浮、装载和运动


小结


总之,该团队开发了一种应用通用粘合剂和低能量前驱体的工程防喷涂料和表面涂层途径,这种双组分涂层系统结合了两种前驱体的有益特性,是在不同基底(如不锈钢、铜、硅和云母)上实现持久的超排斥性的一种有前途的方法。这项工作不仅为化学屏蔽、传热和液体处理提供了希望,而且通过有效地结合各组分的优异性能,为工程先进涂层提供了一种简单而可靠的途径。


标签:防水涂料辅料与设备工程建筑涂料技术中心胶粘剂今日头条涂装应用
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