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Materials

完全排斥液体的氟化涂层

一种透明的、有自愈能力的薄涂层能够抵抗包括浓酸与低表面张力溶剂在内的一百多种液体的侵蚀

by 由C&EN特别撰稿人Mark Peplow撰稿
October 16, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 42

 

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Credit: 图片来源: Nat. Mater.
新的氟化涂层可以保护聚苯乙烯培养皿免受四氢呋喃液滴(标为蓝色)的破坏。四氢呋喃溶剂通常可以溶解聚苯乙烯塑料。

有些防水涂层浸泡在水里时仍能够保持干燥,也有些涂层可以隔绝油以及有机溶剂。 还有一些涂层则可以耐受严酷的环境,可应对强酸及高温,甚至在被破坏后能够自愈。

如今, 研究人员创造了防护涂层领域名副其实的瑞士军刀。由于其独特的化学性能和质地,这种涂层在结合了以上提到的所有性质之外,还具有其他的性能 (Nat. Mater。 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0178-2)。 “我们控制一系列不同的结构,从化学键到微观水平的纳米结构,。”墨尔本大学的弗兰克卡鲁索(Frank Caruso)说道。他是这个超级全能材料研发团队的研究人员之一。

上面提到的涂层是一种包含了1H,1H,2H,2H-全氟己基三氯硅烷(PFTS)和氰基丙烯酸正丁酯(n-BCA)的混合物,在二氯五氟丙烷溶液中混合。 当其被喷涂于表面时,空气中的水蒸气会引发PFTS和n-BCA之间的一系列聚合反应,形成坚韧、透明的薄膜。 该薄膜涂层含有聚合物纳米粒子,会聚合并形成具有良好质地的涂层面,而这些涂层面可以捕获微小的空气形成的气泡隔层,以起到阻拦液体的作用。

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在测试中,该涂层可以阻隔包括水、正戊烷、全氟己烷和浓氢氟酸在内的100多种不同的液体,。 液滴通常在涂层上形成似球形的水珠,并与图层面形成至少150度的接触角。拥有这种接触角数值的涂层通常会被认为具有“超防液性”。略微倾斜表面 – 通常小于5度 – 便足够使液滴干脆利落地从涂层表面滚离。 当正戊烷(一种具有非常低的表面张力并且会弄湿大多数表面的化合物)被喷到该涂层上面时,涂层表面能够轻易地将其弹落。

研究人员表示,n-BCA可作为一种强力粘合剂,将上述涂料固定在包括木材、金属、玻璃和涤纶织物在内的各种材料上。 卡鲁索认为,这种强粘合力还可以降低涂层逃逸到环境中的风险,而这一问题一直困扰着其他多氟化合物的应用。

该涂层在100°C也能继续排斥液体,并在刮擦、研磨和洗涤后保持其性能。 只有当研究人员用氧等离子体冲刷它时,该涂层才会失去其防液性。 即便如此,该材料也能在受到上述处理后,在室温下24小时后自愈,或者在120°C时于10分钟内恢复。也就是说,当该涂层中的聚合物链重组时,该涂层会重获其先前所有的超能力。

来自马克斯.普朗克聚合物研究所、研究超级防液涂层的Doris Vollmer表示,许多上述提到的超级防液性能已经被融入到了以前发明出来的材料中。 但是这次的涂层对正戊烷的排斥能力是不寻常的,因为该涂层能在自我修复后完全恢复对正戊烷液体的抵抗性 。 “这比我见过的其他涂料更好。”她说。

一滴戊烷落到一块具有超级抵抗力涂层的布料上
图片来源: Nat. Mater.

杜勒姆大学开发功能表面材料的Jas Pal S. Badyal说,这种涂料简单的喷涂方法,也能使其在商业应用上更具吸引力。 “这种一步到位的(喷涂)方法很好。”他说。 然而,使用二氯五氟丙烷作为涂料前体的溶剂,可能成为商业推广中的绊脚石,因为这些卤化物对环境有负面影响。

卡鲁索Caruso建议,这种材料最终可以开发成用于屏蔽化学危害的涂层,并且该团队已经开始与工业伙伴合作。 “但这种材料在应用方面仍有很长的路要走。”他补充说,并指出研究人员需要降低涂层成本并评估其长期耐用度。.

该报道由李杰 为C&EN翻译。文章的原始英文版本如下。

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