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廣州大學(xué)林璟、陜理工鄭楠《Adv. Compos. Hybrid Mater.》：一種可實(shí)現(xiàn)快速自修復(fù)、防污的PFPMS復(fù)合材料
2022-11-21  來源：高分子科技

  現(xiàn)有的低表面能氟硅材料難以獲得防污性、力學(xué)性能、粘接性能的有效兼顧，同時(shí)受損后難以自我修復(fù)，一定程度上限制其廣泛的應(yīng)用。


  為攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)提出了聯(lián)合強(qiáng)健型低表面能基體與微納雙尺度表面的策略實(shí)現(xiàn)防污性、力學(xué)性能、粘接性能的有效兼顧，并能實(shí)現(xiàn)受損后的快速自愈，獲得高效穩(wěn)定防污。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)快速自修復(fù)的防污復(fù)合材料PFPMS。首先合成具有大量強(qiáng)氫鍵的低表面能PU/FPDMS基體，實(shí)現(xiàn)基體的高強(qiáng)度及其與基材的強(qiáng)粘接。然后，合成具有致密殼層結(jié)構(gòu)的IPDI@PGMAm/GO自修復(fù)微膠囊，獲得微膠囊在潛伏期內(nèi)的穩(wěn)定。并將自修復(fù)微膠囊和納米SiO2同時(shí)引入PU/FPDMS基體，對基體起到增強(qiáng)作用的同時(shí)在其表面構(gòu)筑微納雙尺度微觀結(jié)構(gòu)，獲得PFPMS優(yōu)異的防污性能。此外，當(dāng)PFPMS受損時(shí)微膠囊芯材流出，在65℃下加熱30min即可完成與基體中活潑氫的快速交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對PFPMS的高效修復(fù)（圖1）。 



圖1 PFPMS的（a）制備機(jī)理圖，（b）自修復(fù)機(jī)制，（c）高強(qiáng)高粘接機(jī)制


  PU/FPDMS基體與基材表面羥基間的氫鍵作用或基體中的強(qiáng)氫鍵作用有利于基體獲得優(yōu)異的粘接強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，其值分別為5.51、6.30MPa。同時(shí)，微膠囊及納米SiO2引入后對基體起到了一定的增強(qiáng)效果，PFPMS的拉伸強(qiáng)度可達(dá)7.12 MPa（圖2）。 



圖2 工業(yè)品、空白基體及PFPMS復(fù)合材料的（a）剪切強(qiáng)度，（b）拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率


  將微膠囊及納米SiO2引入PU/FPDMS基體后，PFPMS復(fù)合材料的靜態(tài)接觸角、滑動角分別為160°、3.5°，分別較空白基體的兩值112°、80°有較大幅度降低，同時(shí)經(jīng)200次磨損后，上述兩值未發(fā)生明顯改變，表明PFPMS復(fù)合材料具有優(yōu)異的超疏水及耐磨性。PFPMS經(jīng)果汁、醬油、可樂、咖啡、牛奶五種污染物的防污性測試，表明微膠囊、納米SiO2在低表面能PU/FPDMS基體表面構(gòu)筑的微納突起結(jié)構(gòu)有利于PFPMS獲得優(yōu)異的防污性能（圖3）。 


圖3（a）空白基體、PFPMS的靜態(tài)接觸角與滑動角，（b）PFPMS經(jīng)磨損后的靜態(tài)接觸角、滑動角；污染物附著下的靜態(tài)接觸角與滑動角（c）涂覆在不同基材上的空白基體，（d）涂覆在不同基材上的PFPMS；PFPMS表面的（e）SEM（f）AFM圖片


  IPDI@PGMAm/GO自修復(fù)微膠囊的引入有利于PFPMS獲得優(yōu)異的自修復(fù)性能。PFPMS在65℃下修復(fù)30min后切斷面重新聯(lián)接在一起，劃痕處長出新的固態(tài)物質(zhì)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到原始狀態(tài)的92.21%，容抗弧半徑恢復(fù)到原始狀態(tài)的數(shù)量級，Ucorr、Icorr值也恢復(fù)到原始狀態(tài)的水平。此外，微膠囊的填充有利于形成迷宮效應(yīng)，有效阻礙電解質(zhì)的滲透，降低腐蝕速率，如圖4所示。 


圖4 空白基體啞鈴試樣、PFPMS啞鈴試樣在原始狀態(tài)、切口后及修復(fù)后的（a）拉伸強(qiáng)度，（b）扯斷伸長率；（c）PFPMS啞鈴試樣的切口照片；PFPMS（d）劃痕后，（e）修復(fù)后的光學(xué)顯微鏡照片；PFPMS表面（f）劃痕后，（g）修復(fù)后，及斷面（h）修復(fù)前，（i）修復(fù)后的SEM照片；空白基體、PFPMS在原始狀態(tài)、修復(fù)后的（j）Nyquist圖，（k）等效電路圖，（l）動極化曲線. 

  該成果發(fā)表在 Advanced Composites and Hybrid Materials, 2022, 5:1899–1909

  論文第一作者為陜西理工大學(xué)劉杰，陜西理工大學(xué)鄭楠和廣州大學(xué)林璟為共同通訊作者。

  論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-022-00515-1

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