福州大学赖跃坤教授团队《Adv. Mater.》：点击反应快速制备柔性多功能类液体防污涂层新策略

原创老酒高分子高分子科技 2022-09-09 15:43

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拒液表面在理论研究和实际应用中都是最受关注的，例如防污、无损运输、微流体、生物分析、液体收集、微反应器等。特别是防水表面发展迅速，实现了灰尘和水溶性污染物的快速去除。然而，由于油的表面张力较低，因此获得拒油表面更具挑战性。例如，原油泄漏后会紧密粘附在各种表面上，这会导致严重的底物污染，甚至可能使所有设备失效。此外，制备的涂层普遍希望具有强结合力、高透明度、优异的弯曲性和硬度。尽管已经在许多材料中实现了个别功能，但在不相互影响的情况下满足所有要求仍然是一个主要挑战。例如，难以同时满足超疏油性、机械强度和透明度，限制了实际应用。

鉴于此，福州大学赖跃坤教授团队和新加坡国立大学林志群教授报告了一种稳健的策略，通过合理设计半互穿聚合物网络结构，在30秒内快速制造出无氟防油涂层（LPC）。所得涂层在空气和水下均表现出很强的粘合能力,不仅提供了优异的拒油性（即使是对高粘度原油），还兼具出色的透明度、可弯曲性和机械稳定性。这简单而有效的设计策略为制造具有理想特性和结构复杂性的多功能材料和设备开辟了一条新途径，用于可持续防污、减阻、无损运输、液体收集和生物医学等领域。

涂层的结构及设计原理

该工作选择巯基官能化有机硅氧烷 (POSS-(SH) ₈ )与聚（苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯）(SBS)的乙烯基发生巯烯光点击反应，同时引入羟基封端的聚二甲基硅氧烷 (OH-PDMS-OH) 形成。在该涂层中，POSS提供了涂层防污性能，其纳米笼状硅核提高涂层的机械抗性； SBS增强基材的韧性和粘合能力； OH-PDMS-OH 作为类液体状润滑层，进一步赋予涂层优异的防污性能。硫醇-烯点击反应可在30 s内完成防污L PC 涂层的快速制备；一步法制备半互穿缠结网络的设计减少了复杂的合成步骤（图1）

图1. 点击反应一步制备过程

涂层的防污性能

该L PC 涂层具有高透明度和出色的防污性能。各种有机液体，包括低表面张力液体乙醇、高粘度的原油具有均能以较小的滑动角从表面滑落。优异的防污性能不仅可以防止表面污染，还可以使该涂层适用于原油等多种液体收集应用。如图 2g-2h 所示，对比未处理的钢片基底，LPC涂层改性的钢片实现了原油的全部回收。同时，涂层优异的低粘附还能够降低3 M 胶带的粘附（图2i- 2 j）。这种抗胶带粘附性能表明涂层具有作为脱模剂的潜力，可以防止产品粘在模具上，保护模具表面。

图2. 涂层的防污性能

涂层的粘附性能（结合力）

通过引入 SBS作为粘合剂，同时利用 SBS和 POSS-(SH) ₈ 之间的高交联度，实现了 LPC涂层在空气和水下与不同的基材都具有超强的粘合力。例如， LPC涂层在P ET 基底上的结合力能够吊起高达 2 kg重量的砝码（图 3b），表明 LPC涂层可作为粘合剂材料的潜力。引人注目的是，与那些报道的在空气和水下的粘合剂相比，LPC涂层的粘合强度非常出色（图 3d）。在不同基材上的强粘合强度突出了LPC作为空气和水下通用粘合剂的多功能性。

图3. LPC涂层与基材结合能力强

涂层的机械性能

同时实现硬度和灵活性对于工程材料来说至关重要。半互穿缠结网络的巧妙设计提供了涂层优异的机械稳定性。根据SY/T 7394-2017标准对LPC涂层进行管道环路冲蚀试验。LPC涂层表面仅有轻微的冲击痕迹，冲蚀速率大幅度降低。同时，在将涂有 LPC 的铝基板弯曲变形后，表面仍然可以防止原油粘附（图 4f），显示出其优异的柔韧性。

图4. LPC涂层的机械耐久性和弯曲性。

总之，该研究报道了一种通过巯烯点击反应构建半互穿聚合物网络来制备类液体聚合物涂层的有效方法。涂层可在30秒内快速光交联，制备时间大大缩短。新颖的结构设计不仅避免了复杂的接枝过程，而且赋予表面多种特性，包括优异的抗污性、强的界面结合、弯曲性和机械稳定性。尤其是，论是在空气中还是在水下，该涂层在不同基材上的剪切强度高于大多数粘合剂，无如此强的界面结合在先前的拒液涂层实例中是前所未有的。制成的LPC涂层还具有其他引人注目的性能，包括在各种基材上的普遍适用性、无氟和高透明度。因此，该 LPC涂层可广泛应用于防污、减阻、无损运输、自清洁、液体收集和通用粘合剂。这种半互穿聚合物网络的巧妙设计策略为制备具有一系列非常理想的特性的拒液材料提供了一条快速可行的途径，为具有理想特性和结构复杂性的多功能材料和设备开辟了一条新途径，用于可持续防污、减阻、无损运输、液体收集和生物医学等领域。

该工作以 “ Judicious Design and Rapid Manufacturing of Flexible, Mechanically Resistant Liquid-like Coating with Strong Bonding and Antifouling Abilities ” 为题发表在《 Advanced Materials 》，文章第一作者是福州大学石油化工学院博士研究生郑微微，通讯作者为福州大学赖跃坤教授，黄剑莹教授和新加坡国立大学林志群教授。该工作得到了国家自然科学基金（ 51972063、22075046）、福建省杰出青年基金（2020J06038）等项目的资助。

课题组网站：

https://yklai.fzu.edu.cn/index.htm

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202204581