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具有機械化學穩定性和抗液體侵蝕性的全有機超疏水涂層

文章來源：未知更新時間：2018-04-02 15:40:27

【引言】

人造超疏水涂層具有良好的機械堅固性，基材附著力和化學穩健性已經分別實現。然而，同時演示這些特征以及通過高速跌落/噴射撞擊抵抗液體刺穿是具有挑戰性的。例如，包括無機納米粒子或結構單元的涂層提供了機械堅固性；然而，它們是化學敏感的，特別是強酸和強堿。同樣，有機涂料具有良好的耐化學性，但機械性能差。此外，同樣重要的是，通過高速下落/噴射沖擊對液體刺入表面組織的抗性不足是另一個重要問題，限制了超疏水涂層的實際應用。

【成果簡介】

近日，倫敦大學學院Manish K. Tiwari（通訊作者）課題組在Nature Materials上發表了題為“All-organic superhydrophobic coatings with mechanochemical robustness and liquid impalement resistance” 的文章。研究團隊描述了所有有機，柔韌的超疏水納米復合涂料在循環膠帶剝離和Taber磨損下表現出強大的機械穩定性，可持續暴露于高腐蝕性介質，即王水和氫氧化鈉溶液中，并可通過可擴展技術應用于表面作為噴涂和刷涂。此外，涂層的機械靈活性使得對高速液滴和湍流噴嘴的抗刺激性至少達到?35 m s^-1，韋伯數達到?43,000。這些涂料具有多方面的堅固性和可擴展性，應該在惡劣的化學工程以及基礎設施，運輸車輛和通信設備中找到潛在的用途。

【圖文導讀】

圖1 全有機納米復合涂層的多氟化策略的圖解

（a）氟化前的環氧樹脂，水接觸角（WCA）約43°；

（b）含氟聚合物接枝的環氧樹脂（表示為FE樹脂）， WCA增加到?80°；

（c）將全氟聚醚混入FE樹脂（表示為KFE樹脂），WCA進一步增加至?93°;

（d）摻入PTFE顆粒以獲得具有?158°的WCA的納米復合涂層（表示為PKFE涂層）；

（e）純環氧樹脂，FE樹脂，KFE樹脂和PKFE涂層的傅立葉變換紅外光譜圖?550-650cm^-1和?1,150-1,250cm^-1處的峰證實了-CF²和-CF³官能團的存在以及每一步的成功氟化；

圖2 防水PKFE涂層的機械堅固性

（a）使用高粘性膠帶進行膠帶剝離測試的示意圖。通過滾動4kg鋼輥兩次均勻地施加膠帶；

（b）在30個循環后（θA保持在155°以上和Δθ低于5°），PKFE涂層超疏水性的??防水性的影響保持不變；

（c）使用泰伯磨損測試儀進行的機械磨損測試的示意圖，包括裝載的研磨輪摩擦安裝在旋轉平臺上的涂覆的樣品；

（d）三種不同磨損載荷下Taber磨損循環下θA的變化和涂層厚度的減??；

（e）掃描電子顯微照片，顯示以氟化環氧樹脂涂覆的PTFE納米粒子為特征的PKFE納米復合材料涂層形態；

（f）掃描電子顯微照片，顯示30次膠帶剝離循環后PKFE涂層的形態;強烈的膠帶剝離導致涂層形態沒有可觀察到的損傷；

（g）（250g負荷）100次磨損循環后PKFE涂層的形態;觀察到塑性變形點（由箭頭表示）；

（h）確認涂層完整性;完全彈跳顯示，對于新鮮的PKFE納米復合材料涂層（1），在經歷30次帶剝離周期（2）的涂層上，在約0.22ms^-1的沖擊下，在200g負荷（3）和高速噴射沖擊試驗后的涂層（4）；

圖3 防水PKFE涂層的耐化學性

（a）王水腐蝕時間對PKFE納米復合材料的拒水性的影響；

（b）NaOH溶液（1M）腐蝕的影響，12小時后保持超疏水性；

（c）在王水腐蝕中60分鐘后PKFE涂層表面的形態；

（c）在1M NaOH溶液中12小時后PKFE涂層表面的形態；

圖4 高速水滴和噴射沖擊后的超疏水PKFE涂層的穩健性

（a）水滴（速度?6m s-1）在與涂層碰撞后霧化，沒有任何刺入紋理的跡象；

（b）高速水射流沖擊涂層，平均速度約21 m s^-1，Wel約15,000；測試表面的最高速度為?35 m s-1（Wel?43,000）。在下落滾落角和恢復系數測量中測試時涂層沒有顯示出刺穿跡象；

（c，b）受水射流影響的PKFE表面斑點上的水滴；

（d）水噴射沖擊的PKFE表面的形態的掃描電子顯微照片，顯示未損壞的粗糙結構；

【小結】

該研究團隊展示了一個強大的全有機納米復合涂料，可在各種苛刻的機械和化學環境下保持拒水性，其中包括令人印象深刻的特性，例如在?2.5 mm直徑的水射流沖擊? 35 ms^-1（即126 km h^-1），并持續暴露于王水腐蝕。涂層的堅固性來自于它們的柔韌性以及在受到機械磨損時通過逐層材料去除保留超疏水性的??能力。這種柔韌性能夠在液滴和射流沖擊過程中緩沖壓力峰值，從而有助于實現出色的抗液體侵蝕性能，此外，合理選擇所有有機組分可實現良好的化學穩定性。全有機PKFE納米復合涂料（主要使用現成成分制備）的穩健性將擴大超疏水涂料的應用范圍。

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