“破鏡亦能重圓”?華南理工大學(xué)李文波副研究員與馬春風(fēng)教授合作提出了一種新型多層級(jí)動(dòng)態(tài)鍵協(xié)同策略,成功制備了一種自修復(fù)柔性硬質(zhì)水性抗粘附涂層,所制備的涂層具有高達(dá)99.95%的自修復(fù)效率!
賦予柔性硬質(zhì)材料自修復(fù)性能
自修復(fù)涂層一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注,其指的是當(dāng)涂層產(chǎn)生裂縫或受到其他形式的損傷后,能夠自動(dòng)修復(fù)裂縫或損傷,恢復(fù)其完整性和功能的特殊涂層。 對(duì)于這種涂層,早期的研究主要集中在金屬涂層的防腐蝕性能改進(jìn)上,通過添加劑和合金化來(lái)增加涂層的耐蝕性。之后,研究人員并嘗試使用微膠囊、微軟化粘合劑和微納米顆粒等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自修復(fù)功能。此時(shí),自修復(fù)涂料(self-healing coatings)作為一種可稱為智能涂料的名稱被提出來(lái)。 到了現(xiàn)在,納米技術(shù)的發(fā)展為耐腐蝕自修復(fù)涂層的研究提供了新的機(jī)會(huì)。利用智能材料、自組裝技術(shù)和仿生學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)展,耐腐蝕自修復(fù)涂層的研究日趨多樣化和復(fù)雜化。從基礎(chǔ)材料到設(shè)計(jì)和制備過程,都在不斷優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)更高效的自修復(fù)性能。 隨著柔性電子、海洋工程及民用建筑等領(lǐng)域的快速發(fā)展,對(duì)兼具自修復(fù)性、高透明度、高硬度及高柔韌性的抗粘附涂層需求日益增長(zhǎng)。例如,在柔性顯示設(shè)備中,要求涂層不僅具備出色的耐磨性和柔韌性以適應(yīng)頻繁彎曲和磨損,還需擁有卓越的光學(xué)透明度和防液體粘附性能。自修復(fù)的“柔性硬質(zhì)”材料能顯著提升這些設(shè)備的使用壽命,因而備受學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的矚目。 然而,當(dāng)前抗粘附涂層領(lǐng)域面臨著一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn):硬度、柔韌性和自修復(fù)性三者之間存在相互制約的關(guān)系,這極大地阻礙了該領(lǐng)域的發(fā)展。為解決涂層柔性與硬度難以并存的問題,研究者們嘗試通過有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化技術(shù),在分子層面上將高硬度的無(wú)機(jī)相與柔韌的有機(jī)相結(jié)合。然而,大多數(shù)現(xiàn)有的柔性硬質(zhì)涂層由不可逆的共價(jià)鍵構(gòu)成高度交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其分子鏈運(yùn)動(dòng)受限且鍵能強(qiáng)大,導(dǎo)致自修復(fù)過程難以實(shí)現(xiàn)。 實(shí)際上,賦予柔性硬質(zhì)材料自修復(fù)性能是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù),其難度不亞于讓破碎的鏡子重新復(fù)原。 新型多層級(jí)動(dòng)態(tài)鍵協(xié)同策略 針對(duì)上述問題,華南理工大學(xué)李文波副研究員與馬春風(fēng)教授合作提出了一種新型多層級(jí)動(dòng)態(tài)鍵協(xié)同策略,成功制備了一種自修復(fù)柔性硬質(zhì)水性抗粘附涂層。 相關(guān)工作以“Superior Hard yet Flexible, Highly Transparent, and Scratch-Repairable Waterborne Antiadhesive Coatings Enabled by Multi-Magnitude Dynamic Bonds Synergy Strategy” 為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。華南理工大學(xué)碩士研究生尤天龍為本文第一作者,李文波副研究員與馬春風(fēng)教授為本文通訊作者。原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202420562 圖1. 多層級(jí)動(dòng)態(tài)鍵協(xié)同策略制備自修復(fù)柔性硬質(zhì)水性抗粘附涂層 在該體系中,采用鋁-氨基配位反應(yīng)將兩種氨基低聚硅氧烷納米團(tuán)簇(一種作為抗粘附功能,另一種作為氫鍵供體),通過多層級(jí)動(dòng)態(tài)交聯(lián)協(xié)同形成高度交聯(lián)涂層。其中,弱相互作用的多級(jí)氫鍵確保了體系內(nèi)有足夠的自由體積,從而增強(qiáng)能量耗散并賦予涂層高柔韌性;而強(qiáng)相互作用的金屬配位鍵則能夠提高涂層的硬度。 這些動(dòng)態(tài)鍵在分子水平上的協(xié)同整合有效地克服了硬度和柔韌性之間的矛盾。特別是,由于高密度的動(dòng)態(tài)鍵與體系內(nèi)低聚硅氧烷無(wú)規(guī)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特結(jié)合,使涂層具有優(yōu)異的自修復(fù)能力。 所制備的涂層具有高達(dá)99.95%的自修復(fù)效率,同時(shí)具有高硬度 (9H)、高柔韌性 (2 mm 彎曲半徑) 和高透明度 (>99% 透光率)。此外,PDMS的加入使得涂層具有優(yōu)異的抗粘附性能。 更重要的是,該涂料完全水性化,符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求。 圖2. 涂層的自修復(fù)效率以及修復(fù)前后的機(jī)械性能 圖3. 涂層的自清潔、抗液體粘附、防涂鴉、防指紋功能
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