二氧化硅-硅樹脂復(fù)合超疏水涂層：可噴涂、可模塑

WaterOff

2022-08-08 08:06:33

超疏水表面（涂層）在減阻、節(jié)能、防冰以及防生物淤積等應(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的作用。近來，人們已經(jīng)發(fā)展了諸多自下而上或是自上而下的制備策略，用以構(gòu)筑具有低表面能和粗糙表面結(jié)構(gòu)的功能性超疏水涂層。但是，微納結(jié)構(gòu)表面構(gòu)筑過程的復(fù)雜性以及微納粗糙結(jié)構(gòu)易磨損特點使得超疏水涂層在制備成本和使用壽命方面受到極大地制約。發(fā)展簡便策略實現(xiàn)具有高耐磨或易修復(fù)、可再生的超疏水表面的的功能涂層是該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

近日，加拿大多倫多大學(xué) (University of Toronto) Shaker A. Meguid教授研究團隊以納米二氧化硅顆粒和硅樹脂為原料，基于簡便的工業(yè)化噴涂技術(shù)或傳統(tǒng)樹脂模塑加工技術(shù)，簡便實現(xiàn)了具有多功能性復(fù)合超疏水涂層的構(gòu)筑。同時，研究團隊對兩類超疏水涂層體系的組份構(gòu)成與表面疏水性能的關(guān)系進行了詳細的表征分析；系統(tǒng)測試表明：該研究成果中構(gòu)筑的超疏水涂層具有優(yōu)異的彈性、耐久性以及超疏水表面可再生性能，具有廣闊的實際工業(yè)化應(yīng)用前景。

超疏水涂層或塊體材料的制備過程示意圖。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

對于噴涂工藝制備復(fù)合超疏涂層，研究團隊對不同二氧化硅摻雜濃度（0 ~ 33 wt %）的超疏水體系進行了系統(tǒng)的研究。隨著二氧化硅摻雜濃度的增加，涂層逐漸呈現(xiàn)明亮色彩；當(dāng)二氧化硅摻雜濃度＞9 wt %時，復(fù)合涂層表面達到超疏狀態(tài)（水接觸角＞150° ，滾動角＜10°）；當(dāng)二氧化硅摻雜濃度達到33 wt %時，涂層表面水接觸角達約171°、滾動角僅為約2°，但是涂層耐久性顯著降低。

二氧化硅摻雜濃度對涂層表面色澤及疏水性的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

基于SEM和AFM對復(fù)合涂層表面形貌測試表明：納米顆粒引入構(gòu)筑的表面微納粗糙結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)涂層表面超疏水特性的關(guān)鍵因素。當(dāng)二氧化硅摻雜濃度為7 wt%時，二氧化硅包埋在硅樹脂中，涂層表面粗糙度較小、疏水性提升較小；當(dāng)二氧化硅摻雜濃度為14 wt%時，直徑~ 10-25 μm的二氧化硅球狀顆粒分布在涂層表面顯著提升涂層表面粗糙度和疏水性。

二氧化硅摻雜濃度對涂層表面形貌的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

此外，研究團隊基于模塑技術(shù)實現(xiàn)二氧化硅-硅樹脂復(fù)合塊體超疏水材料的簡便構(gòu)筑。同樣，體系二氧化硅摻雜量對材料表面的疏水性能有著重要影響。隨著二氧化硅摻雜量增加，材料表面疏水性逐漸增加，二氧化硅摻雜量為9 wt%時，涂層表面水接觸角達約167°、滾動角約6°；但是當(dāng)二氧化硅摻雜量超過10%，難以得到均相乳液用于模塑。同樣，SEM測試表明，一定濃度的二氧化硅摻雜是構(gòu)筑涂層表面粗糙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

二氧化硅摻雜量對復(fù)合塊體超疏水材料性能的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在表面抗污染方面，所制備超疏水涂層及塊體超疏材料皆呈現(xiàn)出表面自清潔特性。同時，基底粘附性測試表明，噴涂工藝制備的復(fù)合涂層具有優(yōu)異的基底粘附性能。

超疏水涂層自清潔性能展示。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

此外，該研究中所制備兩種超疏水涂層皆展現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫（350 ℃）、耐化學(xué)腐蝕（pH 1 ~ 13）性能；塊體超疏水材料還呈現(xiàn)出呈現(xiàn)優(yōu)異的可壓縮性能（1 ~ 10 MPa）；同時，塊體超疏水材料整體均一的超疏水特賦予其表面超疏水特性的持續(xù)可再生能力。

超疏水涂層耐熱、耐化學(xué)腐蝕及可壓縮性能測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

總結(jié)

“無機-有機摻雜”是目前構(gòu)筑復(fù)合超疏水涂層的常用簡便策略之一。采用該策略該研究成果實現(xiàn)了二氧化硅-硅樹脂基高性能復(fù)合涂層以及模塑塊體超疏水材料的簡便構(gòu)筑；該超疏水涂層材料展現(xiàn)出的卓越耐高溫、耐化學(xué)腐蝕性能以及表面疏水性能可再生性使其在長壽命、高防腐涂層方面具有極大地應(yīng)用前景。

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