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超疏水和水下超疏油涂层的快速、绿色制备新方法

2018年08月24日 点击:

界面化学反应被广泛用于智能/功能性材料表面的构筑,在生物分子固定、小分子可控释放、智能传感以及各种图案化界面构筑等领域有着广泛的应用。目前,常用的方法包括反应组分的层层自组装(LBL)、化学气相沉积(CVD)等技术。不过,这些方法构筑的功能界面处于纳米超薄范围,聚合过程不可控且机械性能较差。近年来,界面化学反应被进一步拓展应用于具有高级微纳结构功能涂层的构筑,在微流体、药物传输、油水分离等方面展现出广阔的应用前景。但是,功能涂层的构筑过程要求苛刻,限制了其大规模应用。


近日,印度理工学院瓜哈提分院(IITG)的Uttam Manna研究团队基于丙烯酸酯与氨基的迈克尔加成反应,开发了一种在空气氛围无需溶剂及催化剂的绿色、简便的块体功能材料的构筑方法。该功能材料表面在不同环境氛围下展现出不同的润湿特性,在空气中呈现仿荷叶表面的超疏水状态,水下为仿鱼鳞表面的超疏油状态。此外,该材料体系固有的高粘附性使其便于在不同材质基底构筑超疏涂层。

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仿生聚合物材料绿色合成过程示意图。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


研究人员选用支化聚乙烯亚胺(BPEI)、二季戊四醇五丙烯酸酯(5Acl)为反应“单体”基元,在无溶剂、无催化剂条件下,该体系能够基于迈克尔加成发生快速反应(30 s内)形成目标聚合物凝胶体系。凝胶体系表面疏水性可随着5Acl含量的增加而提高,同时采用十八烷基胺(ODA)修饰改性后其疏水性能进一步增强;当 BPEI/5Acl为1:5时,经过ODA改性后体系表面达到超疏水状态(WCA>150°,接触角滞后<10°)。材料表面形貌FESEM测试表明,基于除去未反应基元能够在凝胶体系表面和内部形成多孔结构,从而赋予块体材料多级复合微观结构。

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仿生聚合物材料绿色合成过程示意图。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


BPEI/5Acl 反应生成的凝胶体系呈亲水特性,而经过烷基胺修饰改性后则转变为疏水转态。研究人员对凝胶体系表面不同链长烷基胺(C原子数为5~18)疏水改性效果进行了系统研究。研究表明,随着烷基胺C原子数的增加,其疏水改性效果逐步至超疏水状态。此外,经过亲水性小分子还原葡萄糖胺修饰改性后的凝胶体系在水下呈现超疏油状态(CA ~ 162°)。

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材料表面基于小分子胺修饰改性研究。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


该凝胶材料体系能够作为涂层材料简便图涂覆于玻璃、塑料、铝箔、木材等各种未经任何修饰改性的材料基底表面。相关测试表明,该功能涂层具有优异的基底粘附性和耐磨性能,对人工海水、淡水以及不同pH水溶液均具有优异的超疏性能,经过UV(254、365 nm)辐照5天,涂层疏水性及水下疏油性能未呈现明显下降,展现出优异的耐候性。

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涂层超疏性能稳定性测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


总结


本论文作者通过迈克尔加成反应结合后修饰改性构筑了功能性交联聚合物凝胶体系。该凝胶体系作为功能涂层展现出优异的超疏水及水下超疏油性能。这种凝胶体系构筑方法十分简便,可进一步拓展至其他功能性界面构筑以及图案化润湿性表面制备等应用方面。


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Green and Rapid Synthesis of Durable and Super-Oil (under Water) and Water (in Air) Repellent Interfaces

ACS Appl. Mater. Interfaces201810, 23451–23457, DOI: 10.1021/acsami.8b06924

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