中科院长春应化所苏朝晖研究员课题组：兼具抗划伤和快速自愈特性的透明抗雾薄膜

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潮湿空气中的水汽容易在固体表面上结雾，影响眼镜片、挡风玻璃等器件的透明性，带来诸多不便，甚至可能引发严重事故。为了解决这个问题，人们通常在基底表面涂覆一层亲水性的聚合物作为抗雾涂层，使小雾滴铺展成膜、减少对可见光的散射。但亲水性聚合物薄膜比较柔软，容易被硬物划伤磨损而影响其透明性并丧失抗雾功能。通过赋予材料自愈性能可以修复受损涂层的结构和功能、延长其使用寿命，但自愈材料分子间较弱的相互作用在保证其分子流动性的同时也牺牲了材料的机械性能。中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室苏朝晖研究员领导的研究团队将二氧化硅纳米粒子引入到两性离子共聚物体系中，设计制备了兼具抗划伤及快速自愈性能的透明抗雾薄膜。在日常使用中，增强的二氧化硅粒子使柔软的亲水性涂层不被磨损；而在意外情况下，当涂层被硬物划伤，则可以利用其自愈性能快速修复损伤，恢复使用性能。

图1.具有抗划伤及自愈性能的复合薄膜的制备、结构与作用机理示意图。

首先将表面修饰两性离子的SiO₂纳米粒子与共聚单体SBMA和HEMA在室温下搅拌20 min预聚合，使黏度适合涂布，然后旋涂于基底上，于80 °C下加热2 h完成薄膜的交联固化。通过表面修饰两性离子，提高了SiO₂纳米粒子的分散性及与共聚物体系的相容性，避免了因团聚而影响体系的透明度（图2a），而且两性离子单元与聚合物单元之间的静电和氢键相互作用使纳米粒子成为可逆交联位点，不影响自愈过程中体系的流动性。构成薄膜的两性离子聚合物具有极强的水合能力，其表面的水滴会立即铺展开，因此具有很好的抗雾性能（图2b）。同时两性离子聚合物能结合空气中的水分子，在低温下不凝固，其表面具有较低的冰粘附力。

图2. (a)空白及含纳米粒子的薄膜的透过率；(b)薄膜的抗雾效果。 

薄膜中引入的SiO₂纳米粒子大大提高了薄膜的抗划伤能力。使用负载的亚麻布反复打磨薄膜表面，发现未填充纳米粒子的薄膜表面伤痕累累、透光率大幅下降，而增强了纳米粒子的薄膜保持了原来的透光率、表面几乎没有划痕（图3）。

图3. (a) 经过500次打磨的空白（左）和含纳米粒子（右）的薄膜，及 (b)薄膜打磨前后的透过率。 

薄膜中聚两性离子（SBMA）单元之间及其与SiO₂纳米粒子表面的静电相互作用的可逆性使其具有一定的自愈能力。通过与适量的HEMA共聚，引入了氢键相互作用，显著提高了体系的自愈性，被砂纸磨损的薄膜只需浸入水中几秒并在室温下放置2 min就能完全愈合表面的大量伤痕，即使薄膜被严重划伤，也能在几分钟内快速修复达到膜厚几十倍宽度的大伤口。另外，两性离子聚合物极强的水合能力使得该薄膜具有优异的抗污性能，当表面被油品及蛋白质等污染后浸入水中即可除去污染物。

图4. (a, b) 复合薄膜被砂纸打磨后的自愈效果；(c) 薄膜被刀片划伤后的自愈效果；(d) 不同HEMA共聚比例的复合薄膜的自愈时间对比。

以上成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.9b09610) ,题目为“Transparent and Scratch-Resistant Antifogging Coatings with Rapid Self-Healing Capability”。论文第一作者为长春应用化学研究所博士生梁邦，通讯作者为张光宇副研究员和苏朝晖研究员。

论文链接：

1、Bang Liang, Guangyu Zhang, Zhenxing Zhong, Yan Huang, Zhaohui Su. Superhydrophilic Anti-Icing Coatings Based on Polyzwitterion Brushes. Langmuir 2019, 35, 1294-1301.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.8b01009

2、Bang Liang, Guangyu Zhang, Zhenxing Zhong, Tomoya Sato, Atsushi Hozumi, Zhaohui Su. Substrate-Independent Polyzwitterionic Coating for Oil/Water Separation Membranes. Chem. Eng. J. 2019, 362, 126-135.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719300142

3、Bang Liang, Zhenxing Zhong, Erna Jia, Guangyu Zhang, Zhaohui Su. Transparent and Scratch-Resistant Antifogging Coatings with Rapid Self-Healing Capability. ACS Appl. Mater. Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.9b09610).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b09610

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