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吉林大學李洋副教授團隊:可室溫修復化學和機械損傷的超疏水材料
2019-10-15  來源:高分子科技

  超疏水材料由于在自清潔,防污,防腐蝕,油水分離等方面的潛在應用而備受關注。然而,超疏水材料的實際使用壽命和可靠性是有限的:一方面是由于超疏水材料表面的低表面能物質易受陽光,臭氧等氧化物腐蝕;另一方面是超疏水材料表面的微納復合結構易受摩擦,切割等機械力的破壞。為了提高超疏水材料的穩定性,科學家們成功的將自修復性能引入到超疏水材料中,制備出自修復超疏水材料。然而,現有的超疏水材料要么僅能修復單一的損傷類型,要么需要高溫條件才能同時修復機械損傷和化學損傷。現階段,能同時修復多種損傷的自修復超疏水材料的制備依然是一個挑戰。

  針對以上問題,吉林大學李洋副教授團隊以氨基封端聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2)和異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)為原料合成了可室溫自修復的疏水超分子聚合物PDMS-PUa(圖1a)。隨后將PDMS-PUa,多壁碳納米管,氯化鈉在四氫呋喃中混合,固化成型并除去鹽模板,制備出多孔的自修復超疏水材料MCNTs/PDMS-PUa(圖1b)。研究結果表明,MCNTs/PDMS-PUa具有良好的超疏水性能,化學穩定性和熱穩定性。MCNTs/PDMS-PUa的靜態接觸角和滾動角分別為153.2°和5.6°,即使在1%的CH3COOHNa2CO3溶液中浸泡12 h依然保持良好的超疏水性能;此外,在60 條件下放置72 h,MCNTs/PDMS-PUa的多孔結構沒有任何塌陷,接觸角和滾動角也沒有發生變化,保持初始的超疏水性能。

圖1. (a) PDMS-PUa的合成路線。(b) MCNTs/PDMS-PUa的制備過程示意圖。

  由于PDMS-PUa在室溫下既具有良好的分子運動能力,因此,當其受到化學腐蝕而導致其超疏水性能喪失后,MCNTs/PDMS-PUa內部的PDMS-PUa分子在自由能的驅動下擴散到受損的表面,恢復材料原始的表面物質組成及超疏水性能(圖2a)。如圖2b所示,當受到等離子刻蝕的MCNTs/PDMS-PUa在室溫條件下儲存放置48小時之后,MCNTs/PDMS-PUa表面的水的靜態接觸角從0°恢復到150.9°,滾動角也恢復到6.8°,證明MCNTs/PDMS-PUa在室溫下修復化學損傷的能力。更重要的是,由于PDMS-PUa聚合物分子間氫鍵的動態可逆性,當兩個損傷的斷面相互接觸時,斷面PDMS-PUa聚合物分子之間再次形成氫鍵從而修復受損的MCNTs/PDMS-PUa (圖2c)。如圖2d所示,當把切為兩半MCNTs/PDMS-PUa重新接觸在一起并在室溫下儲存放置72 h,MCNTs/PDMS-PUa重新連接在一起并且可以承受自身的重量。切痕修復區域的接觸角和滾動角分別恢復到153.1°和5.9°

圖2. (a) MCNTs/PDMS-PUa修復化學損傷的示意圖。(b) MCNTs/PDMS-PUa室溫修復化學損傷前后的接觸角。 (c) MCNTs/PDMS-PUa修復機械損傷的示意圖。(d) MCNTs/PDMS-PUa室溫修復機械損傷前后的照片。

  由于其穩定的多孔結構和超疏水性能,MCNTs/PDMS-PUa可以用于清除水表面漂浮的油污。此外,得益于MCNTs/PDMS-PUa的自修復能力,MCNTs/PDMS-PUa可以在受到化學腐蝕和穿刺后依然保持高效的油水分離能力。

  以上相關成果以“Superhydrophobic Foams with Chemical- and Mechanical-Damage-Healing Abilities Enabled by Self-Healing Polymers”為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。論文的通訊作者為李洋副教授

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11858

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(責任編輯:xu)
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