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ACS Appl. Mater. Interfaces|一种新型全憎表面:光滑、全固态、低滞后且机械耐久

2018-04-13 10:04:04
作者:本网发布
来源:材料前沿科技

全憎表面的的特点在于它们能够排斥多种液体,通过极宽范围的表面张力和极性,使液体成珠并滚动或滑落。这些表面可以自清洁,耐腐蚀,传热增强,防污或抗矿物或生物污损。大多数报道的全面性表面使用织物,润滑剂或接枝单层来构筑表面。然而,这些方法通常缺乏长期稳定性及基材普适性。为了克服这些限制,密歇根大学Anish Tuteja等人制备了由氟化聚氨酯和氟代癸基多面体低聚倍半硅氧烷组成的全固体、光滑的疏液涂层,可通过旋涂或浸涂将其涂覆到各种基材上。不同表面张力的液体(包括水,十六烷,乙醇和硅油)在其表面上呈现低接触角滞后

  主要内容


    全憎表面的的特点在于它们能够排斥多种液体,通过极宽范围的表面张力和极性,使液体成珠并滚动或滑落。这些表面可以自清洁,耐腐蚀,传热增强,防污或抗矿物或生物污损。大多数报道的全面性表面使用织物,润滑剂或接枝单层来构筑表面。然而,这些方法通常缺乏长期稳定性及基材普适性。


    为了克服这些限制,密歇根大学Anish Tuteja等人制备了由氟化聚氨酯和氟代癸基多面体低聚倍半硅氧烷组成的全固体、光滑的疏液涂层,可通过旋涂或浸涂将其涂覆到各种基材上。不同表面张力的液体(包括水,十六烷,乙醇和硅油)在其表面上呈现低接触角滞后(<15°),液滴滑落后无残留物。


    该类涂层适用于需要液体去湿的场合,包括自清洁表面,浸没式光刻,液滴微流体,不粘涂层以及增强冷凝过程中的热传输。该工作中的涂层依赖于高分子氟化分子与聚合物基体的部分相分离,以产生极性或表面张力的大多数液体(包括水,十六烷,甲苯,乙醇和硅油)具有低接触角滞后(<15°)的表面,这些液体容易从涂层表面滑动而不会留下任何残留物。此外,研究结果表明,这些表面在经受机械磨损后,比织构化或润滑的多孔表面具有更优排斥性,其全固态性质解决了纹理和液体注入表面的压力稳定性和长期性能问题。


    图文分析


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    图1.(a)说明F-POSS和TMPTA(不混溶,S *≈1.3),F-POSS和FPU(部分混溶,S *≈0.6)F-POSS和Teflon AF(混溶,S *≈0.0)的混溶性用汉森溶解度球表示;(b)不同F-POSS含量TMPTA、Teflon AF和FPU与十六烷的后退接触角。误差±2°。请注意,不混溶的TMPTA基涂层在?5 wt%F-POSS时达到纯FPOSS薄膜的后退接触角值,部分可混溶的FPU基涂层在?30 wt%F-POSS达到纯FPOSS薄膜的后退接触角值,而混溶性 Teflon AF基涂层不会产生F-POSS薄膜的后退接触角值。


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    图2.(a)不同液体表面张力和极性的液体在旋涂F-POSS和FPU + 30%FPOSS薄膜表面的前进和后退接触角,标准误差为±2°;(b)各种液滴滴加在旋涂流平了FPU + 30%F-POSS涂层的载玻片表面的图像,图像说明其制备的表面透明且不易湿润,如果倾斜,所有这些液体将容易从表面滑落;上述FPU + 30%F-POSS涂层的(c)光学显微镜,(d)SEM和(e)AFM图像;(f)将水和十二烷加入到未涂覆及用FPU + 30%F-POSS涂覆的5mL玻璃试管中的图片。请注意,后者液滴不会弄湿涂层管的内表面;(g)将乙醇和己烷在低温涂覆和未涂覆的硅衬底上冷凝。FPU + 30%F-POSS涂层上为逐滴冷凝、未涂覆的基材表面为膜状冷凝。


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    图3.(a)不同厚度FPU + 30%F-POSS涂层的光学透明度;(b)增加涂层厚度,其机械强度增加,使用AFM测量观察到均方根粗糙度(Rq)下降;(c)降低的粗糙度使与水,十六烷和乙醇的接触角滞后降低;(d,e)在SEM和光学显微照片中也可见多层涂层的粗糙度和均匀性的增加。


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    图4. (a)水和(b)十六烷于带纹理超高吸水性表面、润滑多孔表面、Teflon AF旋涂薄膜(t≈200±50 nm)表面和全憎性光滑FPU + 30%F-POSS涂层表面(t≈290±50nm或t≈1030±40nm)的前进/后退接触角;(c)以45°倾斜,50、350、1000次磨损循环样品上滑动约20μL液滴(宽约12.5mm的磨痕位于25×25mm样品的中心,垂直于液滴的滑动方向)。


    结论


    研究者展示了一种易于旋涂的高度防液表面,允许具有宽范围表面张力和极性的液体滑落而不留残留物;利用混合氟化溶剂使结晶最小化,优化了包含高度氟化小分子(FPOSS)的光滑涂层,与各种液体低接触角滞后;添加耐用的氟化聚氨酯(其中F-POSS部分可混溶)作为基质聚合物以产生粘附于各种基材的机械耐久的多层涂层;也可以通过浸涂涂覆到非平面基材上;该涂层的光滑、全固态特性使其具有压力稳定性,比织物和润滑的多功能表面更耐磨。该研究思路对于透明衬底的疏液应用十分新颖且至关重要,可能对显示器,照相机镜头和微流体装置特别有用。


    参考文献:


    ACS Appl. Mater. Interfaces2018, 10,11406?11413


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责任编辑:王元

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标签: 表面, 耐腐蚀, 方法, 稳定性

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