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制备超疏水涂层的全新策略

2021年02月28日 点击:
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第一作者:张立身
通讯作者:于化忠
第一单位:Simon Fraser University

研究亮点:
1. 通过巧妙的控制反应合成了多级纳米\微米粗糙结构。
2. 可以在多种不同的材料上达到超疏水效果。水接触角170度左右,滑动角低于1度,具有良好的自洁净作用,。
3. 涂层具有非常独特的包裹能力,可以在其他纳米材料领域进行应用。

研究背景
超疏水涂层在多个领域有着很广泛的应用,例如,户外穿戴,建筑材料,汽车制造。迄今为止,超疏水涂层制备方法主要依赖于在已存在的在粗糙表面(例如蜡烛灰、碳纳米管,纳米二氧化硅/二氧化钛颗粒等)增加疏水涂层(主要为氟硅烷)或者在疏水材料表面(PDMS,塑料,Teflon等)用刻蚀、塑形等方法增加表面粗糙程度。之前的研究表明,超疏水涂层的制备关键在于合适粗糙的表面微观结构。因此,如何合成适合的的粗糙结构非常重要。

成果简介
加拿大Simon Fraser University于化忠教授课题组报道了一种具有多级纳米\微米粗糙结构的超疏水涂层。

要点1:多级粗糙微纳米结构微粒制备
十八烷基三氯硅烷常被用于色谱柱的修饰。由于可以与水发生反应从而导致变质,因此该试剂在使用过程中要尽量避免与水接触。本文非常巧妙的通过精确控制水与十八烷基三氯硅烷的比例,从而一步合成具有较小的表面张力的多级粗糙微纳米结构微粒。所合成的大、小两种尺度的纳米/微米结构与荷叶表面的微观结构极其相似,实验实测数据与理论数学公式计算结果非常吻合。

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图1. 涂层疏水效果以及表面微观结构展示。

通过对反应不同阶段的反应物进行SEM电镜扫描,可以表明,当水加入十八烷基三氯硅烷后,反应先形成纳米尺度的小球。小球继而连接成纳米长链。而纳米长链相互之间纠缠在一起最终形成了微米尺度的、具有多级粗糙结构的大颗粒。

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图2. 微观结构的形成过程。

要点2:涂层应用
并且该涂层可以应用于多种不同材质上,且均可达到超疏水效果。

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图3. 不同材质的超疏水效果展示。

该涂层具有良好的机械强度,可经受住沙粒摩擦,水冲击,砂纸研磨。并且具有独特的包裹特性。由于反应简单快捷,可以量产,并进行大规模应用。

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图4. 涂层多种性能以及多功能属性展示。

小结
本研究解决了超疏水制备的一个难点,为制备超疏水涂层提供了一种全新的粗糙结构,且具有实际应用价值。

参考文献
张立身,于化忠;Functional and versatile superhydrophobic coatings via stoichiometric silanization;Nature Communications、12 February 2021、12、928;
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21219-y

作者简介
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于化忠,加拿大Simon Fraser大学教授。1991年毕业于山东大学,1997年在北京大学获得理学博士学位;之后在加州理工学和加拿大科学院完成博士后研究工作。研究方向为材料化学和分析化学,发表高质量研究论文超过150篇(包括Nat. Commun.;Acc. Chem. Res.;J. Am. Chem. Soc.;Angew. Chem. Int. Ed.);发明专利15项。现任Analyst(RSC)副主编,太原理工大学特聘兼职教授。

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张立身,现任加拿大Queens大学博士后研究员。2013年毕业于山西大学化学系,2020年在Simon Fraser大学取得博士学位。主要从事超疏水涂层,微流控分析以及基于手机的分析检测等领域。在Nature Communications,ACS Applied Materials and Interfaces等期刊发表多篇论文。