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“源于自然”的高效防污超疏水涂层

2019年11月26日 点击:

丰富多彩的大自然为材料领域科学研究提供了源源不断的灵感。例如,研究者模仿荷叶等植物的疏水叶面结构,实现了各种超疏水涂层或材料表面的构筑。研究表明,材料表面的微纳结构和表面材料的低表面能特性是构筑超疏界面的关键因素。含氟聚合物材料,如聚四氟乙烯(PTFE)作为典型的低表面能材料被广泛的应用于不粘锅涂层、化学反应设备防腐涂层以及高耐候防腐涂层等不同应用领域。近来,如何基于仿生原理赋予PTFE材料微纳结构,以进一步提升其疏水性能、拓展其应用范围成为超疏材料领域研究热点之一。


近日,台湾中兴大学薛涵宇(Han-Yu Hsueh)博士等研究者从自然界中具有多功能性植物叶片表面结构汲取灵感,通过将PTFE乳液(颗粒)喷涂在传统聚合物聚苯乙烯(PS)基底形成多孔粗糙结构,进一步基于PS基底的诱导收缩形成微米尺度的表面褶皱结构,成功构筑水接触角>167°、滚动角<5°的超疏水涂层。该新型超疏水涂层具有优异的机械稳定性,在自清洁、防污、减阻涂层方面具有重要的应用。

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植物叶片表面的疏水微纳结构。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


宝岛台湾许多湿地植物的叶片表面都呈现强疏水性。SEM表征显示其叶面分布着微米级的褶皱结构以及亚微米的粗糙结构,由此赋予叶片表面去润湿特性以抵抗病菌、灰尘等在叶面的附着。基于仿生上述微纳复合疏水结构,研究团队选用商业化的PTFE为低表面能材质(表面能18 mN m-1),通过将PTFE乳液喷涂在传统聚合物PS基底表面构筑多孔疏水结构,进而通过热诱导基底收缩形成褶皱结构,简便的“copy”了湿地植物叶面形貌。

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仿生叶面结构过程示意图。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


PTFE乳液喷涂在PS表面,热处理前PTFE由TMN-10表面活性剂包覆形成相对光滑表面;在热处理过程中TMN-10逐渐迁移到底部同时PS收缩60%从而诱发表面多级褶皱形成(1级、2级皱纹周期分别为~20 μm、5 μm),表面PTFE颗粒呈紧密排列分布。热诱导处理30 min后材料表面水接触角高达~167°、滚动角~2°,且能够保持长期疏水稳定性。

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热诱导构筑表面微纳复合疏水结构。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


同时,研究者发现PTFE乳液的固含量对最终形成微纳结构及其表面疏水性有着重要影响。当PTFE乳液浓度为30 v/v%时,所构筑表面疏水性达到最优,所形成PTFE膜厚约为570 nm。

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PTFE浓度对仿生材料表面疏水性的影响。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


该方法构筑的仿生超疏水涂层具有卓越的抗污、耐腐蚀、耐紫外以及耐高温性能;在苛刻的酸碱(浸泡)、油(浸泡)、UV(254 nm, 3.3 mW cm-2辐照 24 h)以及从室温到100℃的宽温域条件下仍能够保持初始超疏水性能(水接触角>160°)。

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仿生涂层卓越的性能稳定性。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


在机械稳定性方面,通过对涂层表面施加不同负载(1~4 kg W/cm2)的循环物理磨损测试,其表面仍能保持良好的涂层完整性。4 kg W/cm2高负载磨损使得材料表面粗糙结构遭到部分损耗,但其表面水接触角仍高达147°、维持强疏水性。

涂层机械稳定性测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


该仿生涂层由PS、PTFE及表面活性剂构成,在低于200℃条件下具有优异的热稳定性,在低于500℃条件下能够维持主体树脂基体的稳定性。该优异的热稳定性使其在宽温域应用环境下具有独特的应用优势。此外,该仿生涂层的超疏水、超低表面能特性赋予涂层优异的抗污、自清洁性能,能够有效的抗拒甲基蓝等染料的污染。

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仿生涂层耐热性及自清洁性能测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


总结

该研究通过仿生植物表面复合粗糙结构,简便构筑了PTFE基超疏水涂层。该仿生涂层在耐候性、耐腐蚀性、耐高温性以及耐磨损等方面展现出卓越的性能。相较于传统的商业化PTFE涂层而言,该研究成果中PTFE基涂层疏水性的显著提升将极大地拓展PTFE基涂层的应用范围;同时也为涂料领域其他低表面能含氟树脂(如ETFE)的大规模开发应用提供了思路。