華南理工大學馬春風教授 Adv. Mater.：自適應兩性離子基聚硅氮烷廣譜抗粘附涂層
2024-12-23 14:03:09
作者：高分子科技 來源：高分子科技
分享至：
抗粘附涂層因其簡單、高效、經濟的優勢，成為學界和工業界關注的熱點。然而，設計制備高強韌、高附著力、高透明度、抗生物污損、抗油污、抗結垢等兼具高力學性能和廣譜抗粘附特性的功能涂層極具挑戰性。
圖1. 自適應兩性離子基聚硅氮烷涂層廣譜抗粘附機制
表面粘附是日常和工業生產中常見的現象。 然而，一些不希望的表面粘附物（如生物污損、油污、結冰、結垢等）會造成嚴重的經濟損失和安全隱患。例如，船舶表面粘附的生物污損會增加其航行阻力，導致燃料消耗大幅增加；醫療設備表面的生物粘附會增加感染風險。液體如油污、涂鴉等的粘附會降低透明窗口或顯示器的透明度，影響其正常使用。固體物質的粘附，如運輸管道中的結垢或室外設施的結冰，會嚴重影響熱交換效率，造成安全隱患和巨大的經濟損失。抗粘附涂層因其簡單、高效、經濟的優勢，成為學界和工業界關注的熱點。當前有機硅或有機氟等低表面能材料已被用于賦予涂層防液體或固體粘附的特性。具有強水合能力的親水聚合物，如聚乙二醇或兩性離子聚合物，可用于制備防生物污損粘附涂層。然而，它們通常不能同時表現出防液體、防固體或防生物污損粘附的特性。此外，有機聚合物本身較差的機械性能和耐久性也限制了它們在工業上的應用。設計制備高強韌、高附著力、高透明度、抗生物污損、抗油污、抗結垢等兼具高力學性能和廣譜抗粘附特性的功能涂層極具挑戰性。華南理工大學海洋工程材料團隊長期致力于特殊與極端服役環境高分子材料研究。近年來，圍繞兼具“類陶瓷”和“類聚合物”性質(即聚合物陶瓷)的功能材料開展了大量工作，先后制備了多功能硅基柔性硬質防污涂層、兩性離子基鋯-硅團簇柔性硬質防污涂層、可回收柔性硬質抗粘附涂層、自修復柔性硬質水性抗粘附涂層等(Prog. Polym. Sci. 2024, 154, 101840; Adv. Funct. Mater. 2024, 202420562; Adv. Funct. Mater. 2024, 202408748; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2011145; Adv. Sci. 2022, 9, 2200268)。最近，在前期工作基礎上，該團隊基于表面自富集策略，設計制備了自適應兩性離子基聚硅氮烷涂層，實現了“防污−防油−防垢”廣譜抗粘附，同時該涂層還具有高強韌、高耐磨、高附著力、高透明度等特性。
2024年12月19日，相關工作以“Self-adaptive Zwitterionic Polysilazane Coatings with Mechanical Robustness, High Transparency, and Broad-spectrum Antiadhesion Properties”為題發表在《Advanced Materials》上，華南理工大學博士生黃印杰為本文第一作者，馬春風教授為本文通訊作者。
聚硅氮烷 (polysilazane) 是一類分子主鏈由硅、氮原子交替排列組成的聚合物，它可轉化為以高交聯密度Si-O-Si 網絡結構為主的硬質涂層, 與以往溶膠-凝膠反應制備的涂層相比，它具有更高附著力和易于化學改性等獨特優勢。該涂層基于聚硅氮烷，創新性引入功能調聚物FT（由低表面能氟鏈段和水解誘導生成兩性離子鏈段組成）。在涂層形成過程中，氟鏈段會驅動功能調聚物在表面自富集，并在預水解后生成兩性離子聚合物層。這種獨特的設計可避免涂層在水中溶脹。特別是，由于氟鏈段的表面能較低，而兩性離子鏈段對水的親和力較強，因此該涂層具有獨特的自適應功能。在空氣中，氟鏈段會遷移在表面，使涂層具有抗油污和抗涂鴉能力；而在水下，兩性離子鏈段向表面遷移，使涂層具有抗生物污損、抗水下油粘附和抗結垢能力。經 FT 增韌的高度交聯網絡使涂層具有柔性硬質特性，兼具高硬度（達 7H）和良好的柔韌性（1 mm 彎曲直徑），而涂層與基底之間的化學鍵合使得涂層具有很強的附著力（2.06-7.67 MPa）。
圖4. 自適應兩性離子基聚硅氮烷涂層的抗生物污損性能
圖5. 自適應兩性離子基聚硅氮烷涂層的抗油粘附和抗垢性能綜上所述，該工作巧妙地將自適應及表面自富集策略協同，成功制備了自適應兩性離子基聚硅氮烷涂層，該涂層具有柔性硬質、高耐磨性、高附著力、高透明度以及防生物污損、防液體粘附和防結垢特性。該研究為設計和制備兼具高力學性能和廣譜抗粘附的功能涂層提供了新的視角，這些涂層有望應用于海洋工業、光學設備、管道運輸和其他領域。相關工作以“Self-adaptive Zwitterionic Polysilazane Coatings with Mechanical Robustness, High Transparency, and Broad-spectrum Antiadhesion Properties”為題發表在《Advanced Materials》上，華南理工大學博士生黃印杰為本文第一作者，馬春風教授為本文通訊作者。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413035
免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。
