齊魯工大劉利彬教授和香港城大王鉆開(kāi)教授《Adv. Mater.》:受人體皮膚啟發(fā),提出了一種一體式三層多功能超疏水涂層
2022-06-14 來(lái)源:高分子科技
提高能源利用率,減少能源浪費(fèi)和損耗,對(duì)于建設(shè)經(jīng)濟(jì)節(jié)能型社會(huì)是至關(guān)重要的。表面材料作為與外部環(huán)境相互作用的保護(hù)屏障和介質(zhì),具有自清潔、化學(xué)惰性和長(zhǎng)期耐久性的表面對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳能源效率具有很高的需求。雖然目前已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,但實(shí)用具有優(yōu)選功能和節(jié)能耐久性的超疏水涂層的實(shí)施決定了廣譜穩(wěn)健性,包括機(jī)械化學(xué)強(qiáng)度、與基材的高附著力和阻燃性,這是迄今為止尚未解決的難題。
作者通過(guò)利用沿其三層的粗糙度/潤(rùn)濕性、機(jī)械化學(xué)魯棒性和阻燃性三個(gè)級(jí)別的梯度來(lái)展示三層涂層(STC)的集體性能(圖1)。STC中的主體成分是極性環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)。在中間層,氟化的環(huán)氧樹(shù)脂與氟化纖維素和SiO2相結(jié)合,起到了頂層和底層之間的橋梁作用,達(dá)到了類(lèi)似真皮層的鞏固支撐承上啟下的作用。堅(jiān)硬的微米級(jí)纖維素在頂層和中間層形成框架結(jié)構(gòu),類(lèi)似于皮膚中的纖維,可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并支撐整個(gè)涂層,為了論證這一點(diǎn),采用熒光標(biāo)記的方法對(duì)STC表面和主體中的微米級(jí)纖維素進(jìn)行共聚焦熒光顯微鏡表征,證實(shí)形成了綠色標(biāo)記的3D交織框架結(jié)構(gòu)。為了增強(qiáng)與各種基材的粘附力,選擇在底層使用非氟化環(huán)氧樹(shù)脂。與此同時(shí),為了避免阻燃劑對(duì)涂層疏水性能的影響,磷系阻燃劑DOPO也只在底層進(jìn)行添加,通過(guò)分子混合以產(chǎn)生增強(qiáng)的阻燃性。設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新在于將疏水性、化學(xué)和機(jī)械魯棒性以及阻燃性的獨(dú)特要求通過(guò)多層的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成設(shè)計(jì)分別實(shí)現(xiàn),同時(shí)保持三層之間的連續(xù)界面。STC表面具有超疏水性,水接觸角為171.0±1.5o。該涂層具有能夠經(jīng)受的住近乎100 oC的熱蒸汽流體沖擊和抗腐蝕性能(圖2)。傳統(tǒng)超疏水涂層的一個(gè)限制在于,由于機(jī)械脆性和微/納米級(jí)粗糙度的容易損壞,難以解決抗?jié)櫇窈涂鼓p之間的權(quán)衡。STC在750 g負(fù)載下循環(huán)1000次也表現(xiàn)良好,表明同時(shí)保持了抗?jié)櫇窈涂鼓p性能(圖3)。更重要的是,STC還可以耐受各種尖銳物體,如鋼絲絨、螺絲刀、鋼刀片、美工刀和錘擊。該涂層還具有非常出色的阻燃性能(圖4)。
論文信息
Skin-inspired design integrates mechano-chemical-thermal robustness into superhydrophobic coatings
https://doi.org/10.1002/adma.202203792
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