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福州大學(xué)賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》:點(diǎn)擊反應(yīng)快速制備柔性多功能類液體防污涂層新策略
2022-09-09  來(lái)源:高分子科技

  拒液表面在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中都是最受關(guān)注的,例如防污、無(wú)損運(yùn)輸、微流體、生物分析、液體收集、微反應(yīng)器等。特別是防水表面發(fā)展迅速,實(shí)現(xiàn)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(zhàn)性。例如,原油泄漏后會(huì)緊密粘附在各種表面上,這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的底物污染,甚至可能使所有設(shè)備失效。此外,制備的涂層普遍希望具有強(qiáng)結(jié)合力、高透明度、優(yōu)異的彎曲性和硬度。盡管已經(jīng)在許多材料中實(shí)現(xiàn)了個(gè)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(gè)主要挑戰(zhàn)。例如,難以同時(shí)滿足超疏油性、機(jī)械強(qiáng)度和透明度,限制了實(shí)際應(yīng)用。


  鑒于此,福州大學(xué)賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)和新加坡國(guó)立大學(xué)林志群教授報(bào)告了一種穩(wěn)健的策略,通過(guò)合理設(shè)計(jì)半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在30秒內(nèi)快速制造出無(wú)氟防油涂層LPC)。所得涂層在空氣和水下均表現(xiàn)出很強(qiáng)的粘合能力,不僅提供了優(yōu)異的拒油性(即使是對(duì)高粘度原油),還兼具出色的透明度、可彎曲性和機(jī)械穩(wěn)定性。這簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)策略為制造具有理想特性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的多功能材料和設(shè)備開(kāi)辟了一條新途徑,用于可持續(xù)防污、減阻、無(wú)損運(yùn)輸、液體收集和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。


涂層的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理


  該工作選擇巰基官能化有機(jī)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(fā)生巰烯光點(diǎn)擊反應(yīng),同時(shí)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(jī)械抗性;SBS增強(qiáng)基材的韌性和粘合能力;OH-PDMS-OH作為類液體狀潤(rùn)滑層,進(jìn)一步賦予涂層優(yōu)異的防污性能。硫醇-烯點(diǎn)擊反應(yīng)可在30 s內(nèi)完成防污LPC涂層的快速制備;一步法制備半互穿纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)減少了復(fù)雜的合成步驟(圖1 


1. 點(diǎn)擊反應(yīng)一步制備過(guò)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(jī)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(dòng)角從表面滑落。優(yōu)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(yīng)用。如圖 2g-2h 所示,對(duì)比未處理的鋼片基底,LPC涂層改性的鋼片實(shí)現(xiàn)了原油的全部回收。同時(shí),涂層優(yōu)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(chǎn)品粘在模具上,保護(hù)模具表面。 


2. 涂層的防污性能


涂層的粘附性能(結(jié)合力)


  通過(guò)引入SBS作為粘合劑,同時(shí)利用SBS和 POSS-(SH)8 之間的高交聯(lián)度,實(shí)現(xiàn)了LPC涂層在空氣和水下與不同的基材具有強(qiáng)的粘合力。例如,LPC涂層PET基底上的結(jié)合力能夠吊起高達(dá) 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(bào)道的在空氣和水下的粘合劑相比,LPC涂層的粘合強(qiáng)度非常出色(圖 3d。在不同基材上的強(qiáng)粘合強(qiáng)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(jié)合能力強(qiáng)


涂層的機(jī)械性能


  同時(shí)實(shí)現(xiàn)硬度和靈活性對(duì)于工程材料來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。半互穿纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)的巧妙設(shè)計(jì)提供了涂層優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。根據(jù)SY/T 7394-2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LPC涂層進(jìn)行管道環(huán)路沖蝕試驗(yàn)。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(shí),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(yōu)異的柔韌性。 


4. LPC涂層的機(jī)械耐久性和彎曲性。


  總之,該研究報(bào)道了一種通過(guò)巰烯點(diǎn)擊反應(yīng)構(gòu)建半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)來(lái)制備類液體聚合物涂層的有效方法。涂層可在30秒內(nèi)快速交聯(lián),制備時(shí)間大大縮短。新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅避免了復(fù)雜的接枝過(guò)程,而且賦予表面多種特性,包括優(yōu)異的抗污性、強(qiáng)的界面結(jié)合、彎曲性和機(jī)械穩(wěn)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(qiáng)度高于大多數(shù)粘合劑,無(wú)如此強(qiáng)的界面結(jié)合在先前的拒液涂層實(shí)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(wú)氟和高透明度。因此,該LPC涂層可廣泛應(yīng)用于防污、減阻、無(wú)損運(yùn)輸、自清潔、液體收集和通用粘合劑。這種半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的巧妙設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜性的多功能材料和設(shè)備開(kāi)辟了一條新途徑,用于可持續(xù)防污、減阻、無(wú)損運(yùn)輸、液體收集和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)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(fā)表在《Advanced Materials》,文章第一作者是福州大學(xué)石油化工學(xué)院博士研究生鄭微微,通訊作者為福州大學(xué)賴躍坤教授,黃劍瑩教授和新加坡國(guó)立大學(xué)林志群教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(51972063、22075046)、福建省杰出青年基金(2020J06038等項(xiàng)目的資助。


  課題組網(wǎng)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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