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張友法、王鉆開、鄧旭等合作 Nat. Commun.:史上最耐磨超疏水涂層
2023-09-27  來源:高分子科技

  設(shè)計一種同時具有長效性、多相排斥性的超疏水涂層似乎是相互排斥的。首先,粗糙的微結(jié)構(gòu)能夠貯存空氣墊,有利于排斥液體,但容易遭受高的局部應(yīng)力破壞,且導(dǎo)致氣體滲透和固體釘扎。其次,降低涂層的表面能可以減弱多相物質(zhì)的吸附傾向,相反地會減少涂層內(nèi)的化學(xué)鍵合,即犧牲涂層的內(nèi)聚力和附著力。保持涂層功能性的同時提高其壽命一直是超疏水涂層領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。


  近期,東南大學(xué)材料學(xué)院張友法團(tuán)隊與香港理工大學(xué)王鉆開教授、電子科技大學(xué)鄧旭教授、上海交通大學(xué)李萬博副教授合作,提出一種單元胞策略,可以解決上述超疏水涂層矛盾性問題。該單元胞由硬質(zhì)多孔硅藻土微殼和可釋放的納米種子組成,具有獨特的物化性質(zhì)。通過半改性微殼和完全改性納米種子賦予單元胞非均勻化學(xué)性質(zhì),使其兼具可化學(xué)鍵合性和超疏水性;將這些單元胞分散在不同樹脂中,即可以起到機械強化和化學(xué)鍵合的作用,同時提高涂層的超疏水性和力學(xué)性能(圖1)。 


1單元胞涂層示意圖


  該單元胞涂層可以承受超過1000Taber磨損(1 kg載荷),而傳統(tǒng)涂層在磨損數(shù)十次后即被磨穿,耐磨性提高了30-100倍(圖2a-c)。同時,該涂層能承受超過48 s高速水流沖擊(We~44444),耐沖擊性較傳統(tǒng)涂層提高了120倍(圖2d-e)。此外,該涂層還可以抵抗各種苛刻的損傷,包括不同的機械磨損和沖擊、反復(fù)的踩踏、膠帶剝離、高靜水壓力浸泡、化學(xué)腐蝕、熱處理和老化試驗等,顯示出優(yōu)異的耐久性(圖2f)。 


2. 單元胞涂層的超耐磨性


  較為有趣的是,該涂層可以同時防止高粘相和固相混凝土的黏附(視頻1):1.對于固相混凝土,將混凝土砂漿澆筑在一半有涂層和一半裸露的馬口鐵樣板上,固化后,單元胞涂層表面的混凝土在重力作用下即輕易整塊脫落,粘附力低至0.1 kPa以下,而在基底表面的混凝土牢牢黏附,難以清除。2.將尺寸僅數(shù)微米的混凝土漿料在涂層表面反復(fù)壓縮后,漿料依舊無法刺穿涂層結(jié)構(gòu),在傾斜角度下即輕易滾落3.單元胞涂層經(jīng)過連續(xù)的鋼絲球磨損~7.6 N、砂紙磨損~6.6 N、螺絲刀刮擦~4.8 N壓力~4 kPa~20min后,混凝土漿料也可以輕易滾落,毫無殘留。


  該工作以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings為題發(fā)表在《Nature Communications》上(Nat. Commun. 2023, 14, 5953)。文章第一作者是東南大學(xué)顧萬誠博士和上海交通大學(xué)李萬博副教授。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-41675-y

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