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可快速修复超疏水材料
2019-08-09  来源:高分子科技
关键词:自修复 超疏水

  超疏水表面在自清洁、抗结冰、油水分离、防腐等方面具有潜在应用价值,因而备受关注。但是超疏水表面遭到机械或化学破坏后,易发生微纳米结构坍塌或低表面能物质分解,失去超疏水性能,从而极大缩短了材料的使用寿命。在超疏水材料中引入自修复功能是解决上述问题的有效途径。现有超疏水材料为了实现自修复功能一般需要较长时间,而且只能恢复因轻微机械或化学刻蚀造成的破坏。如何实现严重破坏超疏水材料的快速自修复仍是挑战。

  为了解决这些问题,哈尔滨工业大学潘钦敏教授课题组通过设计连苯三酚改性聚甲基硅氧烷,在Fe3+、导电炭黑、二氧化钛纳米粒子存在下,形成以连苯三酚/铁配位键交联的超疏水材料。研究发现,该材料表面被等离子体刻蚀50秒后,其接触角降为0°,但给材料施加10V电压1分钟后,其疏水性能即可恢复至154.8°,呈现快速自修复特性。材料经过10次刻蚀/通电后,其表面接触角仍保持在152°(图2)。自修复的原因在于通电产生的热量使低表面能物质从材料内部迁移到表面。

图1. (a)超疏水材料刻蚀/修复照片,(b)多次刻蚀/通电循环超疏水材料接触角变化

  重要的是,该超疏水材料受到严重机械破坏后也可实现快速修复。在此,研究人员用刀片将材料切断,然后将破坏后的材料对齐、接触、并施加10 V电压,1 分钟后材料即可实现宏观形貌和微观结构的修复,从而快速恢复了力学性能和超疏水特性。经过6次切断/通电后,材料的接触角仍保持在150度以上(图2)。研究表明:材料快速自修复的机理在于聚甲基硅氧烷具有低玻璃化转变温度,以及连苯三酚/铁配位键具有温度依赖性。当温度升高时,连苯三酚/铁配位键的强度下降,有利于提高交联高分子链的活动能力,从而促进破损高分子网络的自修复。

图2. (a)超疏水材料切断及修复照片,(b,c)修复区域的SEM图,(d) 超疏水材料初始和修复后的应力应变曲线, (e) 多次切割修复后接触角变化曲线

  该材料还具有抗结冰性能。可利用通电方式快速除掉材料表面的冰块。比如在10V电压条件下,该材料只需40 秒即可将表面的冰块融化并除去(图3)。

图3. 超疏水材料快速除冰照片

  该研究结果为设计快速自修复超疏水材料提供了新思路。论文发表在美国化学会ACS Appl. Mater. Interfaces,第一作者为哈尔滨工业大学大发排列3与化学学院博士生秦利明,通讯作者为潘钦敏教授

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b07563

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(责任编辑:xu)
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