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

  設(shè)計(jì)一種同時(shí)具有長(zhǎng)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(huì)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(shí)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(duì)與香港理工大學(xué)王鉆開(kāi)教授、電子科技大學(xué)鄧旭教授、上海交通大學(xué)李萬(wàn)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(wèn)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(dú)特的物化性質(zhì)。通過(guò)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(shù)脂中，即可以起到機(jī)械強(qiáng)化和化學(xué)鍵合的作用，同時(shí)提高涂層的超疏水性和力學(xué)性能（圖1）。 


圖1. 單元胞涂層示意圖


  該單元胞涂層可以承受超過(guò)1000次Taber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(shí)，該涂層能承受超過(guò)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(jī)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(yàn)等，顯示出優(yōu)異的耐久性（圖2f）。 


圖2. 單元胞涂層的超耐磨性


  較為有趣的是，該涂層可以同時(shí)防止高粘相和固相混凝土的黏附（視頻1）：1.對(duì)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(wú)法刺穿涂層結(jié)構(gòu)，在6°傾斜角度下即輕易滾落。3.單元胞涂層經(jīng)過(guò)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）和壓力（~4 kPa，~20min）后，混凝土漿料也可以輕易滾落，毫無(wú)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(wàn)誠(chéng)博士和上海交通大學(xué)李萬(wàn)博副教授。


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

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