吉林大学李洋副教授团队：可室温修复化学和机械损伤的超疏水材料
超疏水材料由于在自清洁，防污，防腐蚀，油水分离等方面的潜在应用而备受关注。然而，超疏水材料的实际使用寿命和可靠性是有限的：一方面是由于超疏水材料表面的低表面能物质易受阳光，臭氧等氧化物腐蚀；另一方面是超疏水材料表面的微纳复合结构易受摩擦，切割等机械力的破坏。为了提高超疏水材料的稳定性，科学家们成功的将自修复性能引入到超疏水材料中，制备出自修复超疏水材料。然而，现有的超疏水材料要么仅能修复单一的损伤类型，要么需要高温条件才能同时修复机械损伤和化学损伤。现阶段，能同时修复多种损伤的自修复超疏水材料的制备依然是一个挑战。
针对以上问题，吉林大学李洋副教授团队以氨基封端聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为原料合成了可室温自修复的疏水超分子聚合物PDMS-PUa(图1a)。随后将PDMS-PUa，多壁碳纳米管，氯化钠在四氢呋喃中混合，固化成型并除去盐模板，制备出多孔的自修复超疏水材料MCNTs/PDMS-PUa(图1b)。研究结果表明，MCNTs/PDMS-PUa具有良好的超疏水性能，化学稳定性和热稳定性。MCNTs/PDMS-PUa的静态接触角和滚动角分别为153.2°和5.6°，即使在1%的CH3COOH和Na2CO3溶液中浸泡12 h依然保持良好的超疏水性能；此外，在60 ℃条件下放置72 h，MCNTs/PDMS-PUa的多孔结构没有任何塌陷，接触角和滚动角也没有发生变化，保持初始的超疏水性能。
图1. (a) PDMS-PUa的合成路线。(b) MCNTs/PDMS-PUa的制备过程示意图。
由于PDMS-PUa在室温下既具有良好的分子运动能力，因此，当其受到化学腐蚀而导致其超疏水性能丧失后，MCNTs/PDMS-PUa内部的PDMS-PUa分子在自由能的驱动下扩散到受损的表面，恢复材料原始的表面物质组成及超疏水性能(图2a)。如图2b所示，当受到等离子刻蚀的MCNTs/PDMS-PUa在室温条件下储存放置48小时之后，MCNTs/PDMS-PUa表面的水的静态接触角从0°恢复到150.9°，滚动角也恢复到6.8°，证明MCNTs/PDMS-PUa在室温下修复化学损伤的能力。更重要的是，由于PDMS-PUa聚合物分子间氢键的动态可逆性，当两个损伤的断面相互接触时，断面PDMS-PUa聚合物分子之间再次形成氢键从而修复受损的MCNTs/PDMS-PUa (图2c)。如图2d所示，当把切为两半MCNTs/PDMS-PUa重新接触在一起并在室温下储存放置72 h，MCNTs/PDMS-PUa重新连接在一起并且可以承受自身的重量。切痕修复区域的接触角和滚动角分别恢复到153.1°和5.9°。
图2. (a) MCNTs/PDMS-PUa修复化学损伤的示意图。(b) MCNTs/PDMS-PUa室温修复化学损伤前后的接触角。 (c) MCNTs/PDMS-PUa修复机械损伤的示意图。(d) MCNTs/PDMS-PUa室温修复机械损伤前后的照片。
由于其稳定的多孔结构和超疏水性能，MCNTs/PDMS-PUa可以用于清除水表面漂浮的油污。此外，得益于MCNTs/PDMS-PUa的自修复能力，MCNTs/PDMS-PUa可以在受到化学腐蚀和穿刺后依然保持高效的油水分离能力。
以上相关成果以“Superhydrophobic Foams with Chemical- and Mechanical-Damage-Healing Abilities Enabled by Self-Healing Polymers”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。论文的通讯作者为李洋副教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11858
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