“破鏡亦能重圓”?華南理工大學李文波副研究員與馬春風教授合作提出了一種新型多層級動態鍵協同策略,成功制備了一種自修復柔性硬質水性抗粘附涂層,所制備的涂層具有高達99.95%的自修復效率!
賦予柔性硬質材料自修復性能
自修復涂層一直受到業界的廣泛關注,其指的是當涂層產生裂縫或受到其他形式的損傷后,能夠自動修復裂縫或損傷,恢復其完整性和功能的特殊涂層。 對于這種涂層,早期的研究主要集中在金屬涂層的防腐蝕性能改進上,通過添加劑和合金化來增加涂層的耐蝕性。之后,研究人員并嘗試使用微膠囊、微軟化粘合劑和微納米顆粒等技術來實現自修復功能。此時,自修復涂料(self-healing coatings)作為一種可稱為智能涂料的名稱被提出來。 到了現在,納米技術的發展為耐腐蝕自修復涂層的研究提供了新的機會。利用智能材料、自組裝技術和仿生學等領域的進展,耐腐蝕自修復涂層的研究日趨多樣化和復雜化。從基礎材料到設計和制備過程,都在不斷優化,以實現更高效的自修復性能。 隨著柔性電子、海洋工程及民用建筑等領域的快速發展,對兼具自修復性、高透明度、高硬度及高柔韌性的抗粘附涂層需求日益增長。例如,在柔性顯示設備中,要求涂層不僅具備出色的耐磨性和柔韌性以適應頻繁彎曲和磨損,還需擁有卓越的光學透明度和防液體粘附性能。自修復的“柔性硬質”材料能顯著提升這些設備的使用壽命,因而備受學術界與產業界的矚目。 然而,當前抗粘附涂層領域面臨著一個嚴峻挑戰:硬度、柔韌性和自修復性三者之間存在相互制約的關系,這極大地阻礙了該領域的發展。為解決涂層柔性與硬度難以并存的問題,研究者們嘗試通過有機-無機雜化技術,在分子層面上將高硬度的無機相與柔韌的有機相結合。然而,大多數現有的柔性硬質涂層由不可逆的共價鍵構成高度交聯的網絡結構,其分子鏈運動受限且鍵能強大,導致自修復過程難以實現。 實際上,賦予柔性硬質材料自修復性能是一項極具挑戰性的任務,其難度不亞于讓破碎的鏡子重新復原。 新型多層級動態鍵協同策略 針對上述問題,華南理工大學李文波副研究員與馬春風教授合作提出了一種新型多層級動態鍵協同策略,成功制備了一種自修復柔性硬質水性抗粘附涂層。 相關工作以“Superior Hard yet Flexible, Highly Transparent, and Scratch-Repairable Waterborne Antiadhesive Coatings Enabled by Multi-Magnitude Dynamic Bonds Synergy Strategy” 為題發表在Advanced Functional Materials上。華南理工大學碩士研究生尤天龍為本文第一作者,李文波副研究員與馬春風教授為本文通訊作者。原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202420562 圖1. 多層級動態鍵協同策略制備自修復柔性硬質水性抗粘附涂層 在該體系中,采用鋁-氨基配位反應將兩種氨基低聚硅氧烷納米團簇(一種作為抗粘附功能,另一種作為氫鍵供體),通過多層級動態交聯協同形成高度交聯涂層。其中,弱相互作用的多級氫鍵確保了體系內有足夠的自由體積,從而增強能量耗散并賦予涂層高柔韌性;而強相互作用的金屬配位鍵則能夠提高涂層的硬度。 這些動態鍵在分子水平上的協同整合有效地克服了硬度和柔韌性之間的矛盾。特別是,由于高密度的動態鍵與體系內低聚硅氧烷無規結構的獨特結合,使涂層具有優異的自修復能力。 所制備的涂層具有高達99.95%的自修復效率,同時具有高硬度 (9H)、高柔韌性 (2 mm 彎曲半徑) 和高透明度 (>99% 透光率)。此外,PDMS的加入使得涂層具有優異的抗粘附性能。 更重要的是,該涂料完全水性化,符合環境可持續發展的要求。 圖2. 涂層的自修復效率以及修復前后的機械性能 圖3. 涂層的自清潔、抗液體粘附、防涂鴉、防指紋功能
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