山东大学:多功能类液体涂层,实现高效减阻和防污
2025-10-29 13:06:53 作者:本网发布 来源:涂料驿站 分享至:

润湿性作为固-液界面相互作用的核心现象,对生物系统的功能演变以及工程材料的性能设计有着深远的影响。通过调节材料表面的化学性质和形貌结构,可以实现从超亲水性到超疏水性润湿性行为的全谱调节,以满足不同的应用要求。其中,非润湿界面因其独特的拒液性,在防冰减阻防污等领域具有巨大的应用价值。近年来,在仿生表面工程和纳米制造技术的推动下,人工疏液表面的研究已经形成了三大技术体系:超疏水表面(SHPS)超疏油表面(SOPS)光滑液体注入多孔表面(SLIPS)。SHPS和SOPS通过构建微/纳米复合结构并用低表面能材料对其进行改性,实现了液滴在Cassie-Baxter状态下的稳定悬浮,通过捕获空气形成空气膜,有效地将液体与固体表面隔离开来。然而,SHPS和SOPS的功能稳定性受到空气膜的严格限制。当受到高压冲击、冷凝或长时间浸液时,空气膜会发生Wenzel态转变,导致超疏水性能失效。SLIPS采用低表面能润滑剂填充多孔基材,形成具有优异防污性能的固-液复合光滑界面。但是,润滑剂容易因毛细迁移、溶剂萃取或热蒸发而损失,复杂的流体环境可能会导致润滑剂层的相分离,从而显著缩短SLIPS的使用寿命。更重要的是,上述表面均依赖于预制的微/纳米结构来实现拒液功能,这不仅使制造过程复杂化,而且由于其机械脆弱性严重限制了实际应用。此外,这些技术通常对低表面能液体的排斥性不足,这些局限性严重阻碍了疏液表面的发展。

近年来,类液体表面(LLS)作为一种创新技术出现,旨在解决传统非润湿表面的技术难题。LLS的设计核心在于通过共价接枝高柔性聚合物刷,在光滑基底上构建动态分子层。这些高柔性分子链赋予表面动态流动性,使液滴能够在低粘度界面处以超低的滚动角快速滑动。同时,共价锚定机制确保了LLS的机械稳定性。凭借这些独特的优势,LLS在防污、液滴传输和膜分离等领域展现出巨大的应用潜力。LLS涂层主要分为聚硅氧烷LLS和聚醚LLS两类。与具有C-O-C主链的聚醚刷相比,具有Si-O-Si主链的聚硅氧烷刷具有更大的键长、键角以及相邻原子间的电负性差异,从而表现出更高的链柔性和更低的键旋转能。此外,聚硅氧烷刷的制备过程更为简单、反应条件更温和,且链长可调,这使得聚硅氧烷LLS在实际应用中更有前景。 

然而,聚硅氧烷LLS的性能优化仍面临着通用拒液性与滚动角之间的双重矛盾。聚二甲基硅氧烷(PDMS)LLS因其优异的拒液性能而被广泛使用,对具有高表面张力的液体(如水和油)表现出极低的滚动角。然而,由于其固有表面能的限制,PDMS LLS难以排斥具有极低表面张力的液体(如正己烷),目前很少有研究报道其滚动角测量结果。这限制了其在有机溶剂处理领域的潜在应用。为了赋予LLS对于表面张力极低的液体具有优异的拒液能力,研究人员引入氟硅烷来制造聚氟硅烷LLS。尽管这种方法增强了LLS对低表面张力液体的排斥性,但在一定程度上损害了LLS的动态脱湿性能,导致滚动角增大。目前的聚硅氧烷LLS设计难以同时实现低滚动角和通用拒液性。此外,不同单体对LLS动态润湿行为的影响机制尚不明确,缺乏深入的理论和微观层面的分析。

近期,山东大学满佳团队成功开发了一种多功能双组分类液体涂层,实现了高效减阻和防污。

通过将二甲基二甲氧基硅烷(DMS)和1H,1H,2H,2H-全氟辛基二甲基氯硅烷(PFOS)进行共聚反应,制得类液体涂层。

所制得的涂层通过调节异质界面,实现了分子链的柔性低表面能,从而实现了低滚动角广谱拒液性。该涂层具有优异的减阻性能,能够有效排斥低表面张力液体(如正己烷的滚动角<3°),并且具有广谱防污性能。在极端条件下,该涂层还表现出优异的稳定性

本研究系统地探讨了单体比例和制备过程对涂层性能的影响,建立了成分、结构和性能之间的相关性。值得注意的是,当PFOS单体浓度超过临界阈值时,尽管表面能降低,但拒液性却异常下降。本研究首次从分子链迁移的角度揭示了单体比例对动态润湿行为的影响机制。因此,本研究为多组分类液体涂层的分子设计和性能优化提供了宝贵的理论参考。



构建过程示意图













多功能类液体涂层构建过程示意图


数据来源与出处


 

相关研究成果以“Construction of Multifunctional Liquid-Like Coatings: Heterogeneous Interface Regulation Enabling Exceptional Drag Reduction and Repellency Against Multistate Pollutants”为标题发表在《small》上。

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