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研究人员发现:微图案化可以得到高透明度的超疏油涂层

2019年07月19日 点击:

关键词:超疏水 超疏油 耐磨 透明 PDMS

 

背景:

基于具有自清洁、防污、低阻力和防污性能的超疏油高透明度涂层,在光学装置、太阳能电池板和自清洁窗户的工业应用中受到广泛关注,但在迄今为止生产的许多超疏油涂层中,缺乏机械耐久性等问题一直无法解决。

 

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种通用材料,它具有很好的生物相容性、化学稳定性、透明度和机械弹性。被广泛用于生物医学设备,包括微流体和纳米流体设备等.

 

生物纳米技术与仿生纳米探针实验室(NLBB)与俄亥俄州立大学(The Ohio State University)的Samuel Martin等通过微图案化和疏水性SiO2纳米粒子与甲基苯基硅氧烷树脂的粘合剂涂覆使PDMS具有超疏水性,随后在涂层上气相沉积氟硅烷使其具有超疏油性(图1)。其研究成果发表在去年的《Journal of Colloid and Interface Science》上。

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图1 氟化纳米粒子/粘合剂涂层

 

研究内容:

1、 PDMS基材及涂料处理

 

将PDMS基底在异丙醇中用超声浴(45kHz频率)清洁15min。然后,用去离子水冲洗基板并使其干燥。

 

将600mg疏水性二氧化硅纳米粒子(10nm直径)分散在30mL体积比为 40%四氢呋喃和60%IPA中。使用超声波均化器(20kHz频率,35%振幅)对该混合物进行超声处理15min。然后,加入150mg甲基苯基有机硅树脂,最后将混合物超声处理15min以形成最终混合物。

 

2、 涂层工艺

 

首先,使用平坦或微图案化的PDMS作为基材,并使用UVO化学活化处理90min。活化后,通过喷枪从10cm远处用210kPa的压缩空气沉积1mL涂料混合物,置于70℃预烘5min。然后使用UVO将样品照射1h。最后用密闭容器将三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷气相沉积在样品上(如图2)。

 

图2 PDMS上的氟化纳米颗粒/粘合剂涂层的示意图

 

结构表征与性能测试:

 

作者对样品性能进行了一系列的表征与性能测试。

 

1、 SEM分析

 

图3 SEM图像

 

PDMS样品涂层的SEM图像(如图3)。作者发现涂层具有凹入几何形状的分层结构,这些凹入的几何形状有助于支持油滴以达到超疏油性。从纳米颗粒和粘合剂的微米级聚集体(如图3a)可以看出,第一级层次结构具有不同的尺寸和形状。为了观察结构的凹入几何形状,采用与正常倾斜角成70°的SEM图像(如图3b),这些图像显示纳米颗粒和粘合剂通常组合成准球形。第二层次结构,纳米颗粒和粘合剂形成微米级附聚物聚集在粗糙外表面。粗糙表面会增加气穴的数量,因此增加了气液接触面积,从而增加了液体排斥性。

 

2、 表面润湿

 

各种涂层在平面和微图案PDMS上测量水和十六烷的CA与TA值(见表1)。未经处理的扁平PDMS略带疏水性,水CA为113°±2°,亲油性十六烷CA为52°±2°。通过微图案化PDMS,引入粗糙度并增强其疏水性和亲油性,导致水CA为151°±3°具有超疏水性和超亲油性。通过气相沉积氟化的氟硅烷添加到样品中以减少表面能量和提高防油性。在氟化扁平的PDMS上,水CA增加至119°±2°,这几乎是平坦表面上可达到的最大CA,十六烷CA增加至69°±2°。在氟化微图案PDMS上,水CA保持与微图案化PDMS大致相同,远高于在平面PDMS上的CA值,且十六烷CA增加至68°±2°,随着简单的微图案化,用纳米颗粒/粘合剂涂层来获得超疏水性。

 

表1 沉积在各种涂层的平面和微图案PDMS上的水和十六烷液滴的静态接触角和倾斜角的比较

 

3、 表面耐磨性

 

通过使用摩擦磨损试验研究了平面PDMS上的氟化纳米颗粒/粘合剂涂层的机械耐久性,其中一部分磨损痕迹所得光学图像见图4,磨损试验在10mN下进行100次循环后产生可观察到的磨痕。

 

图4 平板摩擦磨损试验前和后

 

图5 液滴在摩擦磨损前后及故意破坏后的倾斜角

 

在磨损实验之前和之后记录十六烷TA,以及通过刮擦故意破坏产生涂层磨痕上的TA(如图5)。在磨损试验之前,拖过基材表面的十六烷液滴完全不会受阻,并以2°±1°的TA从表面上滑落;在磨损测试之后,当拖过表面时TA有所增加,十六烷液滴被固定在缺陷处,在TA为5°±1°时,液滴在缺陷处滑动。在TA为17°±2°时,放置在缺陷上的液滴能够滑动。在故意破坏的涂层上,十六烷液滴变得高度固定,并且无论液滴起始位置如何,液滴都需要53°±4°的TA才能滑落,样品经过磨损试验后涂层仍然能够在缺陷上排斥十六烷,这表明涂层没有被完全破坏,该涂层仍然具有耐磨性能。

 

4、 涂层的表面透明性

 

图6 透明度对比

当文本放置在平面和微图案PDMS上的涂层后面时,文本仍然可读(如图6)。

 

结论:

 

Samuel Martin等人通过微图案化和疏水性SiO2纳米粒子与甲基苯基硅氧烷树脂的粘合剂涂覆PDMS,随后在涂层上气相沉积氟硅烷,使涂层具有耐磨性、超疏水、超疏油和透明等特性。

 

参考资料:

 

Martin, Samuel, and Bharat Bhushan. "Transparent, wear-resistant, superhydrophobic and superoleophobic poly (dimethylsiloxane)(PDMS) surfaces." Journal of colloid and interface science 488 (2017): 118-126.

  

撰稿人:何毅

 

来源:国家涂料工程技术研究中心

 

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