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中科院長春應化所蘇朝暉研究員課題組:兼具抗劃傷和快速自愈特性的透明抗霧薄膜
2019-08-15  來源:高分子科技

  潮濕空氣中的水汽容易在固體表面上結霧,影響眼鏡片、擋風玻璃等器件的透明性,帶來諸多不便,甚至可能引發嚴重事故。為了解決這個問題,人們通常在基底表面涂覆一層親水性的聚合物作為抗霧涂層,使小霧滴鋪展成膜、減少對可見光的散射。但親水性聚合物薄膜比較柔軟,容易被硬物劃傷磨損而影響其透明性并喪失抗霧功能。通過賦予材料自愈性能可以修復受損涂層的結構和功能、延長其使用壽命,但自愈材料分子間較弱的相互作用在保證其分子流動性的同時也犧牲了材料的機械性能。中國科學院長春應用化學研究所高分子物理與化學國家重點實驗室蘇朝暉研究員領導的研究團隊將二氧化硅納米粒子引入到兩性離子共聚物體系中,設計制備了兼具抗劃傷及快速自愈性能的透明抗霧薄膜。在日常使用中,增強的二氧化硅粒子使柔軟的親水性涂層不被磨損;而在意外情況下,當涂層被硬物劃傷,則可以利用其自愈性能快速修復損傷,恢復使用性能。

圖1.具有抗劃傷及自愈性能的復合薄膜的制備、結構與作用機理示意圖。

  首先將表面修飾兩性離子的SiO2納米粒子與共聚單體SBMA和HEMA在室溫下攪拌20 min預聚合,使黏度適合涂布,然后旋涂于基底上,于80 °C下加熱2 h完成薄膜的交聯固化。通過表面修飾兩性離子,提高了SiO2納米粒子的分散性及與共聚物體系的相容性,避免了因團聚而影響體系的透明度(圖2a),而且兩性離子單元與聚合物單元之間的靜電和氫鍵相互作用使納米粒子成為可逆交聯位點,不影響自愈過程中體系的流動性。構成薄膜的兩性離子聚合物具有極強的水合能力,其表面的水滴會立即鋪展開,因此具有很好的抗霧性能(圖2b)。同時兩性離子聚合物能結合空氣中的水分子,在低溫下不凝固,其表面具有較低的冰粘附力。

圖2. (a)空白及含納米粒子的薄膜的透過率;(b)薄膜的抗霧效果。 

  薄膜中引入的SiO2納米粒子大大提高了薄膜的抗劃傷能力。使用負載的亞麻布反復打磨薄膜表面,發現未填充納米粒子的薄膜表面傷痕累累、透光率大幅下降,而增強了納米粒子的薄膜保持了原來的透光率、表面幾乎沒有劃痕(圖3)。

圖3. (a) 經過500次打磨的空白(左)和含納米粒子(右)的薄膜,及 (b)薄膜打磨前后的透過率。 

  薄膜中聚兩性離子(SBMA)單元之間及其與SiO2納米粒子表面的靜電相互作用的可逆性使其具有一定的自愈能力。通過與適量的HEMA共聚,引入了氫鍵相互作用,顯著提高了體系的自愈性,被砂紙磨損的薄膜只需浸入水中幾秒并在室溫下放置2 min就能完全愈合表面的大量傷痕,即使薄膜被嚴重劃傷,也能在幾分鐘內快速修復達到膜厚幾十倍寬度的大傷口。另外,兩性離子聚合物極強的水合能力使得該薄膜具有優異的抗污性能,當表面被油品及蛋白質等污染后浸入水中即可除去污染物。

圖4. (a, b) 復合薄膜被砂紙打磨后的自愈效果;(c) 薄膜被刀片劃傷后的自愈效果;(d) 不同HEMA共聚比例的復合薄膜的自愈時間對比。

  以上成果發表在ACS Appl. Mater. Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.9b09610) ,題目為“Transparent and Scratch-Resistant Antifogging Coatings with Rapid Self-Healing Capability”。論文第一作者為長春應用化學研究所博士生梁邦,通訊作者為張光宇副研究員蘇朝暉研究員

論文鏈接:

1、Bang Liang, Guangyu Zhang, Zhenxing Zhong, Yan Huang, Zhaohui Su. Superhydrophilic Anti-Icing Coatings Based on Polyzwitterion Brushes. Langmuir 2019, 35, 1294-1301.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.8b01009

2、Bang Liang, Guangyu Zhang, Zhenxing Zhong, Tomoya Sato, Atsushi Hozumi, Zhaohui Su. Substrate-Independent Polyzwitterionic Coating for Oil/Water Separation Membranes. Chem. Eng. J. 2019, 362, 126-135.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719300142

3、Bang Liang, Zhenxing Zhong, Erna Jia, Guangyu Zhang, Zhaohui Su. Transparent and Scratch-Resistant Antifogging Coatings with Rapid Self-Healing Capability. ACS Appl. Mater. Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.9b09610).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b09610

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(責任編輯:xu)
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