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天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授課題組CEJ:一種高機(jī)械強(qiáng)度的具有 “玉米”狀結(jié)構(gòu)SLIPS涂層
2021-02-19  來源:高分子科技
關(guān)鍵詞:超疏水涂層 SLIPS 仿生

  由哈佛大學(xué)Aizenberg教授提出SLIPS的仿生多功能表面由于其特殊的液固結(jié)合界面在近幾年受到廣大研究人員的關(guān)注。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括防凍、防腐、防海洋污染和實(shí)現(xiàn)高透明性材料等,并在液體運(yùn)輸,太陽能電池表面和深海防污等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景。然而,考慮到在真實(shí)環(huán)境中的長期使用時(shí),用于SLIPS儲(chǔ)油的多孔或粗糙結(jié)構(gòu)很容易被苛刻的機(jī)械磨損所破壞;同時(shí),所注入的油層不穩(wěn)定,很容易在外界刺激下被剝奪也是SLIPS亟待解決的問題。


  基于以上問題,天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)通過對微納米結(jié)構(gòu)和化學(xué)相互作用的精細(xì)設(shè)計(jì),提出了一種具有優(yōu)異機(jī)械性能和穩(wěn)定油層的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合超疏水涂層用于SLIPS的制備。由于共價(jià)鍵Ti-O-Si和氫鍵的存在,TiO2在許多堆積的坡縷石納米棒上大量沉積,形成了獨(dú)特的仿“玉米”結(jié)構(gòu)。同時(shí),TiO2表面的羥基也能與兩種聚合物(聚醚砜PES和聚偏氟二乙烯-六氟丙烯共聚物PVDF-HFP)以氫鍵的方式相互作用,由于這些強(qiáng)化的界面相互作用,這些“玉米狀”結(jié)構(gòu)緊密地聚集在一起,形成豐富而機(jī)械強(qiáng)健的粗糙結(jié)構(gòu),不僅展現(xiàn)出穩(wěn)定且耐久的超疏水性,而且提供足夠的毛細(xì)管力來儲(chǔ)存潤滑油。


  研究發(fā)現(xiàn),用于SLIPS注油前的超疏水涂層與基板具有優(yōu)異的結(jié)合力,且在經(jīng)受200次苛刻的摩擦機(jī)試驗(yàn)(負(fù)載為250 kPa)后仍保持超疏水性。此外,在200次砂紙磨損循環(huán)后,也仍能維持超疏水的接觸角和滾動(dòng)角(WCA>150°, WSA<10°)。通過對制備涂層的填料進(jìn)行XPS和紅外光譜分析,證明了坡縷石與TiO2之間的共價(jià)鍵和氫鍵作用。同時(shí)在涂層的粗糙結(jié)構(gòu)中觀察到了一種“玉米”狀的結(jié)構(gòu),涂層中的“玉米”狀結(jié)構(gòu)是由于坡縷石棒與TiO2間的靜電作用,共價(jià)鍵作用和氫鍵作用以及兩種聚合物與TiO2的氫鍵作用和聚合物的熔融包裹作用而形成的,具有優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性及耐磨性。


圖1. 具有類“玉米”狀結(jié)構(gòu)的涂層形貌


圖2(a) 砂紙磨損實(shí)驗(yàn)示意圖;(b)連續(xù)砂紙磨損循環(huán)后WCA和WSA的變化;(c)摩擦機(jī)裝置(負(fù)載=250kPa)示意圖;(d)連續(xù)摩擦機(jī)磨損循環(huán)后WCA和WSA的變化


  注油后得到的SLIPS也具有優(yōu)異的熱水排斥性,在沸水中煮后15 min和300個(gè)熱水浸泡循環(huán)后,仍能維持SLIPS的超滑特性。另外,所制備的SLIPS還在50 kPa高水壓沖擊,4000 rpm/min的高轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn),96 h的水浸泡后和強(qiáng)酸強(qiáng)堿刺激后也維持了良好的超滑性質(zhì)。這證明了所制備的SLIPS具有優(yōu)異機(jī)械、物理和化學(xué)穩(wěn)定性。該SLIPS也被證明可以用于多種基底上(木材,玻璃,PTFE塑料,鋼板和泡沫鎳等)。這項(xiàng)成果為設(shè)計(jì)強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性的SLIPS提供了新思路和解決方案。


圖3(a)SLIPS上不同溫度水的WCA和WSA;(b)將SLIPS浸入85℃熱水中并拉出300次循環(huán)的示意圖;(c)80 ℃水滴從SLIPS上滑落的紅外熱成像圖片;(d)SLIPS浸入沸水不同時(shí)間時(shí)的WCA和WSA變化;(e)沸水浸沒實(shí)驗(yàn)的示意圖


圖4 (a) SLIPS上強(qiáng)酸(pH=1)、水(pH=7)和強(qiáng)堿(pH=14)的WCA和WSA;(b)浸水96小時(shí)后SLIPS上的WCA和WSA;(c)不同轉(zhuǎn)速下WCA和WSA的變化;(d)水沖擊試驗(yàn)示意圖(水壓=50kPa);(e)水滴手彎曲后的SLIPS上滑動(dòng);(f) 50 kPa水壓下不同水沖時(shí)間后WCA和WSA的變化


  以上研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上,論文的第一作者為天津大學(xué)化工學(xué)院碩士生袁思成,通訊作者為汪懷遠(yuǎn)教授


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128953

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