伦敦大学学院Nature Materials：具有机械化学稳定性和抗液体侵蚀性的全有机超疏水涂层

Kevin 6年前 (2018-04-01) 7665浏览

【引言】

人造超疏水涂层具有良好的机械坚固性，基材附着力和化学稳健性已经分别实现。然而，同时演示这些特征以及通过高速跌落/喷射撞击抵抗液体刺穿是具有挑战性的。例如，包括无机纳米粒子或结构单元的涂层提供了机械坚固性；然而，它们是化学敏感的，特别是强酸和强碱。同样，有机涂料具有良好的耐化学性，但机械性能差。此外，同样重要的是，通过高速下落/喷射冲击对液体刺入表面组织的抗性不足是另一个重要问题，限制了超疏水涂层的实际应用。

【成果简介】

近日，伦敦大学学院Manish K. Tiwari（通讯作者）课题组在Nature Materials上发表了题为“All-organic superhydrophobic coatings with mechanochemical robustness and liquid impalement resistance” 的文章。研究团队描述了所有有机，柔韧的超疏水纳米复合涂料在循环胶带剥离和Taber磨损下表现出强大的机械稳定性，可持续暴露于高腐蚀性介质，即王水和氢氧化钠溶液中，并可通过可扩展技术应用于表面作为喷涂和刷涂。此外，涂层的机械灵活性使得对高速液滴和湍流喷嘴的抗刺激性至少达到〜35 m s-1，韦伯数达到〜43,000。这些涂料具有多方面的坚固性和可扩展性，应该在恶劣的化学工程以及基础设施，运输车辆和通信设备中找到潜在的用途。

【图文导读】

图1 全有机纳米复合涂层的多氟化策略的图解

（a）氟化前的环氧树脂，水接触角（WCA）约43°；

（b）含氟聚合物接枝的环氧树脂（表示为FE树脂）， WCA增加到〜80°；

（c）将全氟聚醚混入FE树脂（表示为KFE树脂），WCA进一步增加至〜93°;

 （d）掺入PTFE颗粒以获得具有〜158°的WCA的纳米复合涂层（表示为PKFE涂层）；

（e） 纯环氧树脂，FE树脂，KFE树脂和PKFE涂层的傅立叶变换红外光谱图〜550-650cm-1和〜1,150-1,250cm-1处的峰证实了-CF2和-CF3官能团的存在以及每一步的成功氟化；

图2 防水PKFE涂层的机械坚固性

（a）使用高粘性胶带进行胶带剥离测试的示意图。通过滚动4kg钢辊两次均匀地施加胶带；

（b）在30个循环后（θA保持在155°以上和Δθ低于5°），PKFE涂层超疏水性的​​防水性的影响保持不变；

（c）使用泰伯磨损测试仪进行的机械磨损测试的示意图，包括装载的研磨轮摩擦安装在旋转平台上的涂覆的样品；

（d）三种不同磨损载荷下Taber磨损循环下θA的变化和涂层厚度的减小；

（e）扫描电子显微照片，显示以氟化环氧树脂涂覆的PTFE纳米粒子为特征的PKFE纳米复合材料涂层形态；

 （f）扫描电子显微照片，显示30次胶带剥离循环后PKFE涂层的形态;强烈的胶带剥离导致涂层形态没有可观察到的损伤；

（g）（250g负荷）100次磨损循环后PKFE涂层的形态;观察到塑性变形点（由箭头表示）；

（h）确认涂层完整性;完全弹跳显示，对于新鲜的PKFE纳米复合材料涂层（1），在经历30次带剥离周期（2）的涂层上，在约0.22ms-1的冲击下，在200g负荷（3）和高速喷射冲击试验后的涂层（4）；

图3  防水PKFE涂层的耐化学性

（a）王水腐蚀时间对PKFE纳米复合材料的拒水性的影响；

（b）NaOH溶液（1M）腐蚀的影响，12小时后保持超疏水性；

（c）在王水腐蚀中60分钟后PKFE涂层表面的形态；

（c）在1M NaOH溶液中12小时后PKFE涂层表面的形态；

图4 高速水滴和喷射冲击后的超疏水PKFE涂层的稳健性

（a）水滴（速度〜6m s-1）在与涂层碰撞后雾化，没有任何刺入纹理的迹象；

（b）高速水射流冲击涂层，平均速度约21 m s-1，Wel约15,000；测试表面的最高速度为〜35 m s-1（Wel〜43,000）。 在下落滚落角和恢复系数测量中测试时涂层没有显示出刺穿迹象；

（c，b）受水射流影响的PKFE表面斑点上的水滴；

（d）水喷射冲击的PKFE表面的形态的扫描电子显微照片，显示未损坏的粗糙结构；

【小结】

该研究团队展示了一个强大的全有机纳米复合涂料，可在各种苛刻的机械和化学环境下保持拒水性，其中包括令人印象深刻的特性，例如在〜2.5 mm直径的水射流冲击〜 35 ms-1（即126 km h-1），并持续暴露于王水腐蚀。涂层的坚固性来自于它们的柔韧性以及在受到机械磨损时通过逐层材料去除保留超疏水性的​​能力。这种柔韧性能够在液滴和射流冲击过程中缓冲压力峰值，从而有助于实现出色的抗液体侵蚀性能，此外，合理选择所有有机组分可实现良好的化学稳定性。全有机PKFE纳米复合涂料（主要使用现成成分制备）的稳健性将扩大超疏水涂料的应用范围。

文献链接：All-organic superhydrophobic coatings with mechanochemical robustness and liquid impalement resistance (Nature Materials，2018，doi:10.1038/s41563-018-0044-2)

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