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天津大學汪懷遠教授課題組在水性超疏水涂層研究上取得新進展

2021-12-01 16:35:07 作者：高分子科技來源：高分子科技分享至：

超疏水涂料因其超強的拒水性能和獨特的自清潔性能，在防污、防冰、防腐、油水分離等領域具有廣泛的應用前景。考慮到揮發性有機化合物（VOCs）對環境和健康的危害，環境友好型水性超疏水性涂料近年來受到人們的關注。然而，將疏水性材料分散到水介質中似乎是矛盾的。分散性差會導致超疏水性涂料的機械性能較差。因此，如何制備出疏水性能穩定，且機械性能持久的水性超疏水涂層是目前亟需解決的一大難題。

為了提升水性涂層的疏水穩定性及機械耐久性，汪懷遠教授團隊提出了增強涂層內多重復合界面的新策略。所制得的水性涂層即使在強酸性/堿性、高溫、氙燈照射和苛刻的機械磨損的條件下仍能表現出高的疏水穩定性能。

該團隊以聚四氟乙烯乳液（PTFE）作為水性樹脂，多壁碳納米管上原位生長氧化鎂（CP&MgO）作為復合填料，磷酸二氫鋁（AOP）作為無機粘結劑。在復合填料與無機粘結劑間發生的氫鍵作用和交聯作用下，形成的磷酸鹽網絡包裹在復合填料表面，這不僅增強了復合填料間的界面相互作用，而且增強了涂層與基板之間的界面結合力。

圖1. 水性PTFE-CP&MgO-AOP超疏水涂層的制備及各組分間分子相互作用示意圖。

在500 g載荷下，對PTFE-CP&MgO和PTFE-CP&MgO-AOP涂層進行摩擦，可以看出引入磷酸二氫鋁的涂層無論是從涂層壽命、涂層厚度損失程度、疏水角變化等角度都有明顯提高。此外，還對涂層進行多種機械性能測試，研究結果表明測試后的涂層仍具有超疏水性能。

圖2. 采用滾動摩擦法研究了PTFE-CP&MgO涂層和PTFE-CP&MgO- AOP涂層厚度、WCAs和WSAs隨摩擦周期的變化。注：涂層的磨損壽命為基材暴露時的摩擦周期。對PTFE-CP&MgO-AOP涂層表面各種機械損傷的實驗研究：（c1） 50 g重量下的刀痕試驗、（c2）手指擦試驗和（c3）膠帶粘接試驗；（d）涂層表面潤濕性隨磨損次數的增加而變化。

此外，磷酸鹽網絡官能團與金屬基板之間的相互作用，使得涂層與基板間的界面缺陷顯著改善，涂層的粘附力從5級提高到1級。此外，制備的網狀/珊瑚狀復合結構涂層表面即使在強酸性/堿性、高溫、氙燈照射條件下，也仍可以鎖定穩定的氣體層，保持優異的疏水穩定性。

圖3.（a） PTFE-CP&MgO涂層和（b） PTFE-CP&MgO-AOP涂層的橫截面的SEM圖像。（c）剝離PTFE-CP&MgO-AOP涂層的Al基板表面的EDS分析（d） O 1s和（e） P 2p XPS光譜。（f） AOP粘結劑增強PTFE-CP&MgO-AOP涂層的粘附能力示意圖。

以上研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文的第一作者為天津大學化工學院碩士生林丹，通訊作者為汪懷遠教授。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c14471

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