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一步“绿色”操作,搞定复杂表面的超疏水涂层

2020年08月06日 点击:

超疏水涂层能够赋予材料表面独特的自清洁、抗污染等特性,在海洋防污涂层、防冰涂层、医疗防细菌粘附涂层以及管道减阻涂层等领域得到广泛的应用。基于材料表面微纳粗糙结构以及材料表面能两方面的调控,科学家在超疏水表面构筑方面发展了诸多策略并取得了一系列成果。其中,化学气相沉积、物理气相沉积、热气相沉积、喷涂或旋涂等技术常用于基底修饰以构筑超疏水表面。但是,上述策略多需要有毒性的材料和专用的设备,极大的限制了其应用范围。


近日,韩国浦项科技大学Woonbong Hwang教授仅以聚二甲基硅氧烷(PDMS)和碳酸氢铵(AB)为原料,通过一步法简便实现了3D复杂结构基底表面高性能超疏水涂层的绿色、无污染制备。该策略制备的PDMS基超疏水涂层具有卓越的耐久性,基底普适性强,并且能够实现超疏水/超亲水性图案化表面的构筑。

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PDMS基超疏水涂层的构筑过程及形貌表征。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


PDMS在230 ℃高温下发生汽化后能够与金属氧化物反应,实现目标基底表面疏水层的构筑,但是高温条件限制其实际应用。为解决高温问题,研究人员选用AB为辅助试剂,基于80 ℃条件下AB热分解生产气体作为载体与PDMS形成气相,协助PDMS与目标基底进行反应。PDMS水解形成硅醇基团,硅醇基团与基底表面基团共价键接形成稳定的疏水涂层。SEM测试显示,该策略形成的分子级厚度PDMS疏水涂层不影响器件表面的初始形貌。

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PDMS涂层表面疏水性调控。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


同时,研究表明材料表面形成的PDMS涂层其疏水性可通过AB/PDMS含量及反应沉积时间两方面因素进行调控。当AB:PDMS达到2:1、沉积时间超过90 min时,涂层表面水接触角CA约162.6 ± 3.7°,接触角滞后HA约6.2 ±2.4°,到达超疏水状态。

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溶剂浸渍及UV辐照后涂层形貌及性能测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


PDMS层与基底存在共价键连接,使得涂层能够耐受己烷、丙酮等极性/非极性溶剂。分别经过己烷浸渍、丙酮浸渍和UV辐照5天后,涂层表面仍保持优异的超疏水特性。此外,该研究成果基于AB热分解辅助气相PDMS在基底沉积形成超疏水涂层,使其对不同形状、尺寸的器件表面改性具有优异的普适性;进一步基于UV/臭氧选区处理可实现超疏水/超亲水图案化表面的简便构筑。

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复杂结构器件表面PDMS涂层的构筑。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


此外,该PDMS超疏水涂层能够实现具有纳米线结构铜片表面、金属钛表面、不锈钢表面等不同材质基底表面的超疏水改性;网状基板表面构筑PDMS超疏水涂层后能够应用于油水分离。

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PDMS涂层的基底普适性及其油水分离应用。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


总结


该研究通过以易热分解的碳酸氢铵为辅助试剂,简便的实现了低温条件下(80 ℃)PDMS在材料基底的气相沉积。该策略所构筑PDMS超疏水涂层具有卓越的耐溶剂性、耐老化性以及基底普适性。该研究成果将极大的拓展PDMS基超疏水涂层的实际应用。


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One-Step Eco-Friendly Superhydrophobic Coating Method Using Polydimethylsiloxane and Ammonium Bicarbonate 


Seongmin Kim, Jeong-Won Lee, Woonbong Hwang*


ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 28869–28875, DOI: 10.1021/acsami.0c06697


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