具有超強化學機械穩定性的透明超疏水塗層,可防冰,光催化和自清潔

近些年來,超疏水表面在無損液體運輸、除霧、防霧方面表現出巨大的潛力,引起人們的廣泛關註。而高透明的超疏水塗層在擁有自清潔能力的同時還呈現出良好的顯示效果,可被廣泛的應用於擋風玻璃,太陽能電池板和交通指示器等領域,成為人們青睞的研究熱點。

傳統的制造方法,如化學氣相沉積、溶膠-凝膠、溶劑熱技術和浸塗策略等,被用於制備高性能的超疏水表面,然而得到的材料很難在滿足疏水性能的同時保持較高的透明度,或者不具備較強的機械強度滿足高速的液體沖擊。因此,構造具有高透明度和可逆疏水性的穩定性塗料以抵抗化學和機械極端條件,仍然是一個艱巨的挑戰。

PDMS因其優異的穩定性,良好的耐磨性,出色的防水性以及與基材的強附著力而成為構建超疏水塗料的常用無氟聚合物粘合劑,並且通過熱處理和超聲處理,很容易將其制成納米級和微米級顆粒。同時,TiO2是一種具備固有光響應的材料,在紫外光的刺激下可以實現其表面可逆的疏水變化。因此,可以通過利用PDMS和TiO2微米/納米結構的協同效應來制備一種機械強度和化學穩定性優異的塗層,同時實現其表面的高透明度和可逆潤濕性。

福州大學的賴躍坤教授團隊以PDMS和TiO2為原料,通過熱處理和噴塗處理相結合的方式制備得到瞭高透明具備分級結構的PDMS NPs/PDMS MPs-P25雜化塗層。該復合塗層在不同的基板上表現出可逆的超疏水性和機械化學強度,在可見光區域下達到76%的光學透過率。此外,復合塗層具備優異的機械和化學穩定性,在酸性和堿性條件下浸泡24 h仍保持接觸角150°以上,在膠帶剝離測試30個循環後表面形貌和超疏水性能變化不大。鑒於其在防冰,光催化降解和自清潔方面表現出的優異性能,使其在定向液體傳輸、水響應的智能窗戶等領域呈現出廣闊的前景。該研究成果以“A transparent superhydrophobic coating with mechanochemical robustness for anti-icing, photocatalysis and self-cleaning”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上(見文後原文鏈接)。文章第一作者是福州大學的博士研究生朱天雪。

福州大學賴躍坤團隊:具有超強化學機械穩定性的透明超疏水塗層,可防冰,光催化和自清潔

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圖1 超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的制備流程

作者首先采用熱處理的方法將PDMS納米顆粒氣相沉積到玻璃基板的表面,增加其表面的粗糙程度,賦予其超疏水性。然後,再通過將PDMS微米顆粒和二氧化鈦混合溶液噴塗到改性後的玻璃表面,進一步增加塗層的黏著力和穩定性。

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圖2 超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的形貌和結構表征

作者對不同溫度下處理的塗層進行瞭形貌表征。隨著溫度的升高,其表面納米粒子的密度逐漸增加。

在引入PDMS微粒和TiO2納米粒子後,形成瞭分級程度更明顯的PDMS/TiO2微-納米粗糙結構。

通過紅外和TG對塗層進行表征,Si-O-Si和Si-CH3的伸縮振動峰的出現驗證瞭PDMS的成功引入。而在TG曲線中,PDMS在277.5 °C開始氣化而在450 °C開始降解,表明瞭在400°C進行熱處理有利於PDMS的氣相沉積。

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圖3 超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的紫外光響應和光學特性

作者對塗層在紫外光刺激下的表面潤濕性進行研究。可以發現,該塗層在紫外照射後其接觸角由168.6°轉變為134.0°,並且可以通過在暗環境和熱處理的方式實現其可逆潤濕性的改變。隨著熱處理溫度和時間的增加,塗層在可見光下的透過率逐漸降低。

塗層在350°C熱處理2h的透過率達到81%,並且在噴塗處理後其透過率仍保持瞭76%的高透過率。此外,塗層在酸性、堿性和鹽性的條件下維持其高疏水的狀態,並且在不同的基板上表現出高透明性。

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圖4 超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的化學穩定性
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圖5 超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的力學穩定測試模型
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圖6 超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的力學穩定性

作者對PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的化學和力學穩定性進行瞭表征。

可以發現,塗層在酸性(pH = 2)和堿性溶液(pH = 12)中浸泡24h後接觸角仍保持在150°以上,且並未發生明顯的降低,滑移角則顯示出少量增加。

形貌表征顯示塗層表面並未發生明顯的變化,這種由於的化學穩定性可以歸結於PDMS的化學惰性。

作者通過水滴、沙子沖擊和粘結實驗驗證瞭塗層的力學穩定性。結果表明在不同的測試後其接觸角保持在150°以上,並未發生明顯的降低,塗層表面的形貌也沒有出現明顯的破壞。此外,從動態水滴掉落實驗可以發現在機械處理後塗層表面仍保持優異的超疏水特性。

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圖7 超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的防冰性能
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圖8 超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的自清潔和光催化特性

作者對超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層的防冰性能、自清潔和光催化性能進行瞭分析。

在冷臺的作用下,塗層表面的溫度從20 C 降低到-12.5 C,同時采用紅外相機觀察表面水滴的相變和熱能變化。

當水滴發生相變時,可以觀察到一個瞬時的溫度升高,將此時的時間與達到0 C的時間差稱為延遲冰點時間。

未改性的純玻璃基板在延遲時間350 S後發生結冰,而超疏水的PDMS NPs/PDMS MPs-P25塗層延遲冰點時間延長到600 S,表現出優異的抗結冰性能。

圖8(a-d)對塗層進行瞭自清潔性能測試,將甲基藍粉末分散到玻璃基板和超疏水塗層中,在加入水後,玻璃板表面形成藍色的染料層而超疏水塗層的染料在與水結合後直接滾落下來,表現出良好的自清潔能力。且在自清潔後,超疏水膜仍呈現出高透明性。

此外,作者還對其進行瞭光催化性能分析,純的玻璃基板在紫外光照射下其表面的油紅並未發生變化。而超疏水塗層表面的油紅在紫外照射6h後開始降解,12h後顏色完全消失,表明瞭良好的光催化性能。

【總結】

作者以PDMS和TiO2為原料,通過兩步法制備得到具有機械化學強度和可逆潤濕性的透明超疏水塗層。利用PDMS納米塗層的疏水性和PDMS- TiO2分級結構的粗糙度,復合塗層呈現出優異的超疏水性、高透明性、機械和化學穩定性。此外,傑出的防冰、光催化降解和自清潔性能也使其智能窗戶、汽車擋風玻璃等方面表現出巨大的潛力。

全文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472031874X

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