二氧化矽-矽樹脂複合超疏水塗層:可噴塗、可模塑

x一mol資訊 發佈 2020-01-13T10:43:52+00:00

MultifunctionalSilica-Silicone Nanocomposite with Regenerative Superhydrophobic CapabilitiesAssem Elzaabalawy, Pieter Verberne, Shaker A. Me

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超疏水表面(塗層)在減阻、節能、防冰以及防生物淤積等應用領域有著不可替代的作用。近來,人們已經發展了諸多自下而上或是自上而下的製備策略,用以構築具有低表面能和粗糙表面結構的功能性超疏水塗層。但是,微納結構表面構築過程的複雜性以及微納粗糙結構易磨損特點使得超疏水塗層在製備成本和使用壽命方面受到極大地制約。發展簡便策略實現具有高耐磨或易修復、可再生的超疏水表面的的功能塗層是該領域的重要發展方向。


近日,加拿大多倫多大學 (University of Toronto) Shaker A. Meguid教授研究團隊以納米二氧化矽顆粒和矽樹脂為原料,基於簡便的工業化噴塗技術或傳統樹脂模塑加工技術,簡便實現了具有多功能性複合超疏水塗層的構築。同時,研究團隊對兩類超疏水塗層體系的組份構成與表面疏水性能的關係進行了詳細的表征分析;系統測試表明:該研究成果中構築的超疏水塗層具有優異的彈性、耐久性以及超疏水表面可再生性能,具有廣闊的實際工業化應用前景。

超疏水塗層或塊體材料的製備過程示意圖。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces


對於噴塗工藝製備複合超疏塗層,研究團隊對不同二氧化矽摻雜濃度(0 ~ 33 wt %)的超疏水體系進行了系統的研究。隨著二氧化矽摻雜濃度的增加,塗層逐漸呈現明亮色彩;當二氧化矽摻雜濃度>9 wt %時,複合塗層表面達到超疏狀態(水接觸角>150° ,滾動角<10°);當二氧化矽摻雜濃度達到33 wt %時,塗層表面水接觸角達約171°、滾動角僅為約2°,但是塗層耐久性顯著降低。

二氧化矽摻雜濃度對塗層表面色澤及疏水性的影響。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces


基於SEM和AFM對複合塗層表面形貌測試表明:納米顆粒引入構築的表面微納粗糙結構是實現塗層表面超疏水特性的關鍵因素。當二氧化矽摻雜濃度為7 wt%時,二氧化矽包埋在矽樹脂中,塗層表面粗糙度較小、疏水性提升較小;當二氧化矽摻雜濃度為14 wt%時,直徑~ 10-25 μm的二氧化矽球狀顆粒分布在塗層表面顯著提升塗層表面粗糙度和疏水性。

二氧化矽摻雜濃度對塗層表面形貌的影響。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces


此外,研究團隊基於模塑技術實現二氧化矽-矽樹脂複合塊體超疏水材料的簡便構築。同樣,體系二氧化矽摻雜量對材料表面的疏水性能有著重要影響。隨著二氧化矽摻雜量增加,材料表面疏水性逐漸增加,二氧化矽摻雜量為9 wt%時,塗層表面水接觸角達約167°、滾動角約6°;但是當二氧化矽摻雜量超過10%,難以得到均相乳液用於模塑。同樣,SEM測試表明,一定濃度的二氧化矽摻雜是構築塗層表面粗糙結構的關鍵。

二氧化矽摻雜量對複合塊體超疏水材料性能的影響。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces


在表面抗污染方面,所製備超疏水塗層及塊體超疏材料皆呈現出表面自清潔特性。同時,基底粘附性測試表明,噴塗工藝製備的複合塗層具有優異的基底粘附性能。

超疏水塗層自清潔性能展示。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces


此外,該研究中所製備兩種超疏水塗層皆展現出優異的耐高溫(350 ℃)、耐化學腐蝕(pH 1 ~ 13)性能;塊體超疏水材料還呈現出呈現優異的可壓縮性能(1 ~ 10 MPa);同時,塊體超疏水材料整體均一的超疏水特賦予其表面超疏水特性的持續可再生能力。

超疏水塗層耐熱、耐化學腐蝕及可壓縮性能測試。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces


總結


「無機-有機摻雜」是目前構築複合超疏水塗層的常用簡便策略之一。採用該策略該研究成果實現了二氧化矽-矽樹脂基高性能複合塗層以及模塑塊體超疏水材料的簡便構築;該超疏水塗層材料展現出的卓越耐高溫、耐化學腐蝕性能以及表面疏水性能可再生性使其在長壽命、高防腐塗層方面具有極大地應用前景。

Multifunctional Silica-Silicone Nanocomposite with Regenerative Superhydrophobic Capabilities

Assem Elzaabalawy, Pieter Verberne, Shaker A. Meguid*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 42827-42837, DOI: 10.1021/acsami.9b15445

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