“破镜亦能重圆”?华南理工大学李文波副研究员与马春风教授合作提出了一种新型多层级动态键协同策略,成功制备了一种自修复柔性硬质水性抗粘附涂层,所制备的涂层具有高达99.95%的自修复效率!
赋予柔性硬质材料自修复性能
自修复涂层一直受到业界的广泛关注,其指的是当涂层产生裂缝或受到其他形式的损伤后,能够自动修复裂缝或损伤,恢复其完整性和功能的特殊涂层。 对于这种涂层,早期的研究主要集中在金属涂层的防腐蚀性能改进上,通过添加剂和合金化来增加涂层的耐蚀性。之后,研究人员并尝试使用微胶囊、微软化粘合剂和微纳米颗粒等技术来实现自修复功能。此时,自修复涂料(self-healing coatings)作为一种可称为智能涂料的名称被提出来。 到了现在,纳米技术的发展为耐腐蚀自修复涂层的研究提供了新的机会。利用智能材料、自组装技术和仿生学等领域的进展,耐腐蚀自修复涂层的研究日趋多样化和复杂化。从基础材料到设计和制备过程,都在不断优化,以实现更高效的自修复性能。 随着柔性电子、海洋工程及民用建筑等领域的快速发展,对兼具自修复性、高透明度、高硬度及高柔韧性的抗粘附涂层需求日益增长。例如,在柔性显示设备中,要求涂层不仅具备出色的耐磨性和柔韧性以适应频繁弯曲和磨损,还需拥有卓越的光学透明度和防液体粘附性能。自修复的“柔性硬质”材料能显著提升这些设备的使用寿命,因而备受学术界与产业界的瞩目。 然而,当前抗粘附涂层领域面临着一个严峻挑战:硬度、柔韧性和自修复性三者之间存在相互制约的关系,这极大地阻碍了该领域的发展。为解决涂层柔性与硬度难以并存的问题,研究者们尝试通过有机-无机杂化技术,在分子层面上将高硬度的无机相与柔韧的有机相结合。然而,大多数现有的柔性硬质涂层由不可逆的共价键构成高度交联的网络结构,其分子链运动受限且键能强大,导致自修复过程难以实现。 实际上,赋予柔性硬质材料自修复性能是一项极具挑战性的任务,其难度不亚于让破碎的镜子重新复原。 新型多层级动态键协同策略 针对上述问题,华南理工大学李文波副研究员与马春风教授合作提出了一种新型多层级动态键协同策略,成功制备了一种自修复柔性硬质水性抗粘附涂层。 相关工作以“Superior Hard yet Flexible, Highly Transparent, and Scratch-Repairable Waterborne Antiadhesive Coatings Enabled by Multi-Magnitude Dynamic Bonds Synergy Strategy” 为题发表在Advanced Functional Materials上。华南理工大学硕士研究生尤天龙为本文第一作者,李文波副研究员与马春风教授为本文通讯作者。原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202420562 图1. 多层级动态键协同策略制备自修复柔性硬质水性抗粘附涂层 在该体系中,采用铝-氨基配位反应将两种氨基低聚硅氧烷纳米团簇(一种作为抗粘附功能,另一种作为氢键供体),通过多层级动态交联协同形成高度交联涂层。其中,弱相互作用的多级氢键确保了体系内有足够的自由体积,从而增强能量耗散并赋予涂层高柔韧性;而强相互作用的金属配位键则能够提高涂层的硬度。 这些动态键在分子水平上的协同整合有效地克服了硬度和柔韧性之间的矛盾。特别是,由于高密度的动态键与体系内低聚硅氧烷无规结构的独特结合,使涂层具有优异的自修复能力。 所制备的涂层具有高达99.95%的自修复效率,同时具有高硬度 (9H)、高柔韧性 (2 mm 弯曲半径) 和高透明度 (>99% 透光率)。此外,PDMS的加入使得涂层具有优异的抗粘附性能。 更重要的是,该涂料完全水性化,符合环境可持续发展的要求。 图2. 涂层的自修复效率以及修复前后的机械性能 图3. 涂层的自清洁、抗液体粘附、防涂鸦、防指纹功能
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