蘭州化物所基于硅烷和硅酸鹽黏土礦物的特別潤濕性材料研究取得系列進展

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2022-08-09 11:47:44

　　基于在硅烷聚合物特別潤濕性涂層、硅酸鹽黏土礦物及其納米復合材料方面的研究積累，中國科學院蘭州化學物理研究所甘肅省黏土礦物應用研究重點實驗室張俊平研究員團隊在基于硅烷和硅酸鹽黏土礦物的特別潤濕性材料研究取得系列進展（ 2016, 4,13677-13725; 2016, 4, 953-960; 2015, 3,18475-18482　　圖1 (a) 基于長鏈硅烷的SNFs透明超雙疏涂層和 (b) 蒸發導致的仿豬籠草超滑外觀向仿荷葉超雙疏外觀的變化

SNFs涂層　　通過簡單地控制甲基三氯硅烷的氣相沉積或液相聚合，可在各種外觀上（如棉布、羊毛、絲綢、聚氨酯纖維、木材、醋酸纖維素、玻璃、石英、硅片、鈦合金和鋁箔等）形成SNFs超疏水涂層（ 2011, 50, 6652-6656; ）。然而，SNFs的制備一向局限于小分子硅烷，因為空間位阻較大，長鏈烷基硅烷無法形成SNFs結構。通過引入正硅酸乙酯或四氯硅烷，減小聚合反應的空間位阻，首次采用長鏈烷基硅烷制備了SNFs，一步反應制備了透明超雙疏涂層（ 2014, 5, 1132-1139　　通過將低外觀能全氟聚醚液體鋪展于氟化處理的SNFs外觀上，制備了仿豬籠草超滑外觀。研究注解，液滴在超滑外觀上的活動速度遠遠小于在超疏水外觀上的活動速度，而且外觀的納米結構和傾斜角度、低外觀能潤滑劑的黏度和液膜厚度及液滴的理化性能都會對液滴的活動速度產生較大的影響（ 2014, 24, 1074-1080Langmuir，圖1b）。發如今向超雙疏外觀變化的過程中存在一個高粘附過渡態，各種外觀能的液滴在該過渡外觀上都處于Wenzel狀況，牢固粘附于外觀，導致其喪失自清潔性，制約其現實應用。

粗糙外觀硅烷聚合物

Chem CommunJ Mater Chem B，圖2a）。在此基礎上，通過與磁性納米粒子、光催化材料和多巴胺等結合，制備了磁性油水星散海綿、光催化油水星散材料和自清潔抗生物粘附材料等（ 2015, 7, 4936-4946; 2014, 5, 2382-2390;ACS Appl Mater InterfacesAdv Mater Interfaces2015, 2, 1500019　　圖2 (a) 硅烷聚合物穩固超疏水織物和 (b) 特別潤濕性薄膜用于水體凈化

硅烷聚合物黏土礦物納米復合

ChemPlusChemChem Commun2016, 52, 2744-2747Carbon）等纖維狀納米材料，合成了一系列新型硅烷聚合物納米復合材料，成功地在多種基底材料上制備了穩固超疏水、超雙疏涂層，涂層體現出優秀的機械、化學和環境穩固性和肯定的自修復性。研究注解，凹凸棒石在修建超疏水、超雙疏涂層方面優于膨潤土、海泡石和高嶺石等其他黏土礦物。在此基礎上，拓展了其在藥物控釋（ 2014, 1300136J Mater Chem A，封面，圖3a）等領域的應用，實現了空氣層調控的藥物控釋和不同外觀能液體彈珠的可控制備。此外，通過控制硅烷在凹凸棒石外觀的水解縮合反應，制備了水性超疏水涂層，體現出了優秀的綜合性能Adv Mater Interfaces，背封面，圖3b）。

　　瑪雅藍是一種具有美麗色彩的有機-無機復合顏料，由凹凸棒石和一種來自植物的靛藍分子復合而成，古代瑪雅人將其廣泛應用于壁畫、陶器和鐫刻中。瑪雅藍具有優秀的穩固性，長年累月的氣溫轉變和潮濕的空氣也無法使它褪色。在前期類瑪雅藍顏料（ 2015, 211, 124-133; ）和仿生自清潔涂層的研究基礎上，研究人員首次將類瑪雅藍顏料與超疏水、超雙疏涂層相結合，制備了色彩雄厚的自清潔（刺激-變色）類瑪雅藍顏料和涂層（ 2016, 4, 901-907; ACS Appl Mater Interfaces，圖4）。超疏水、超雙疏涂層的引入，明顯進步了類瑪雅藍顏料的穩固性，并賦予其自清潔性能。