疏油疏水材料-迈塔斯更专业!

“表里如一”的块体超疏水材料

2018-01-08 10:10:17 苏州迈塔斯芯片科技有限公司 阅读

对液滴具有特殊浸润性的材料表面在自然界中广泛存在,如荷叶、玫瑰花瓣、鲨鱼皮肤等。目前,基于仿生原理,通过材料表面化学组成及微纳形貌调控能够赋予材料表面独特的浸润性。其中,表面静态水接触角≥150°、滚动角≤10°的超疏水材料表面在调控蛋白质结晶、液体定向传输、水分收集、小分子控制释放、防污涂层等领域有着广泛的应用。但是,传统的基于微纳形貌结构结合引入超薄低表面能涂层构筑的超疏水界面,其抗物理/化学干扰能力、涂层柔韧性、性能稳定性以及耐久性等存在明显的不足。通过引入超耐磨组分、自愈合组分等策略能够实现超浸润材料表面使用耐久性的显著提升。但是,该类策略其超浸润界面构筑过程往往较为繁琐,这极大的限制了其大规模的实际应用拓展。

构筑材料本体和表面兼具超浸润特性的材料体系是改善其应用稳定性瓶颈问题的最理想策略。近日,印度理工学院瓜哈提分院IITG)的Uttam Manna研究团队以支化聚乙烯亚胺BPEI)、二季戊四醇五/六丙烯酸酯5Acl)以及氨基功能化的氧化石墨烯AGO)为原料,基于氨基和丙烯酸酯之间的1,4-共轭加成反应,无需催化剂,非常简便的制备了材料表面和基体内部都具有优异超疏水性能的自支撑块体材料。该超疏水材料在空气中和油相中都呈现稳定的超疏水性能,同时该材料具有优异的机械稳定性、耐化学试剂和耐久性。

新型超疏水材料化学组成及制备过程示意图

新型超疏水材料化学组成及制备过程示意图。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

研究发现采用BPEI和5Acl为原料进行共轭加成反应,体系并不能形成凝胶,而当加入AGO后,体系在1h内转变成凝胶状态。通过采用无氨基功能化的氧化石墨烯进行对比实验,可以明确GO表面的氨基与5Acl发生1,4-共轭加成反应是体系转变成为凝胶的关键。同时,通过调控体系中加入AGO的量可以调节体系的成凝胶的速率。动态光散射(DLS)测试表明,在凝胶化初期加入AGO后能够形成AGO-BPEI/5Acl纳米复合物,而且随时间延长,该纳米复合物尺寸逐步增大。同时,红外光谱(FTIR)测试表明凝胶体系中残余部分未反应的丙烯酸酯功能基团,这便于采用带氨基功能团有机小分子对凝胶体系进行进一步的疏水改性。在经过癸胺(decylamine)修饰改性后,所制备的凝胶材料在空气中或油下都展现出优异的超疏水性能,水滴前进角超过160°,滚动角约为3°。

体系凝胶化过程及内在机理考察

体系凝胶化过程及内在机理考察。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

应力-应变曲线测试表明,该超疏水材料具有优异的力学性能,且其力学性能能够通过调节加入AGO的量方便地进行调控。当AGO含量较低时,材料硬度较大;随着AGO含量的增加,体系弹性增加。同时,测试表明该超疏水材料体系具有卓越机械稳定性,在循环压缩(形变量80%,1000次)形变、折叠、蜷曲、扭曲等测试过程中,体系其超疏水性能基本保持不变。

新型超疏水材料力学性能和机械稳定性测试

新型超疏水材料力学性能和机械稳定性测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

研究人员通过系统对比实验显示,虽然AGO加入量对体系表面宏观疏水性能未呈现显著影响,但是AGO量对体系的微观形貌有着显著影响,这进一步影响材料体系的机械稳定性和超疏水稳定性。此外,基于该超疏水材料体系具有优异的力学性能和韧性,该材料体系可以简便的模塑制备成不同形状的超疏涂层。同时,该材料切片后系统测试表明,该材料体系内部和材料表面同样具有优异的超疏水性、耐摩擦性以及耐化学试剂性等性能。此外,该材料体系呈现的超疏水超亲油特性,可以应用于油水分离领域。

AGO含量对体系疏水性能和形貌影响考察

AGO含量对体系疏水性能和形貌影响考察。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

当该含AGO超疏水材料体系在尚未转变为半固态凝胶时,该材料体系能够在玻璃、木材、滤纸、金属、塑料等不同材质基底表面涂覆构筑具有优异性能的超疏水涂层。这使得该新型超疏水材料在实际应用领域有着巨大的开发前景。

AGO-超疏水涂层在不同基底的涂覆应用

AGO-超疏水涂层在不同基底的涂覆应用。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

Uttam Manna研究团队基于引入氨基化氧化石墨烯二维材料结合方便的1,4-共轭加成反应,制备了表面和内部同时具有优异超疏水性能的凝胶材料。该超疏材料展现出的优异力学性能、卓越的机械稳定性/化学稳定性以及其能够实现在不同基底涂覆的性能使其在自清洁、防腐、油水分离等实际应用领域有着广泛的应用前景。

原文地址:

Strategic Formulation of Graphene Oxide Sheets for Flexible Monoliths and Robust Polymeric Coatings Embedded with Durable Bioinspired Wettability

ACS Appl. Mater. Interfaces20179, 42354-42365, DOI: 10.1021/acsami.7b14028

(文章来源: X一MOL资讯 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)