广州大学林璟、陕理工郑楠《Adv. Compos. Hybrid Mater.》：一种可实现快速自修复、防污的PFPMS复合材料

2022-11-21 来源：高分子科技

现有的低表面能氟硅材料难以获得防污性、力学性能、粘接性能的有效兼顾，同时受损后难以自我修复，一定程度上限制其广泛的应用。

为攻克这一难题，团队提出了联合强健型低表面能基体与微纳双尺度表面的策略实现防污性、力学性能、粘接性能的有效兼顾，并能实现受损后的快速自愈，获得高效稳定防污。团队设计了一种能实现快速自修复的防污复合材料PFPMS。首先合成具有大量强氢键的低表面能PU/^FPDMS基体，实现基体的高强度及其与基材的强粘接。然后，合成具有致密壳层结构的IPDI@PGMA_m/GO自修复微胶囊，获得微胶囊在潜伏期内的稳定。并将自修复微胶囊和纳米SiO₂同时引入PU/^FPDMS基体，对基体起到增强作用的同时在其表面构筑微纳双尺度微观结构，获得PFPMS优异的防污性能。此外，当PFPMS受损时微胶囊芯材流出，在65℃下加热30min即可完成与基体中活泼氢的快速交联，实现对PFPMS的高效修复（图1）。

图1 PFPMS的（a）制备机理图，（b）自修复机制，（c）高强高粘接机制

PU/^FPDMS基体与基材表面羟基间的氢键作用或基体中的强氢键作用有利于基体获得优异的粘接强度和拉伸强度，其值分别为5.51、6.30MPa。同时，微胶囊及纳米SiO₂引入后对基体起到了一定的增强效果，PFPMS的拉伸强度可达7.12 MPa（图2）。

图2 工业品、空白基体及PFPMS复合材料的（a）剪切强度，（b）拉伸强度、扯断伸长率

将微胶囊及纳米SiO₂引入PU/^FPDMS基体后，PFPMS复合材料的静态接触角、滑动角分别为160°、3.5°，分别较空白基体的两值112°、80°有较大幅度降低，同时经200次磨损后，上述两值未发生明显改变，表明PFPMS复合材料具有优异的超疏水及耐磨性。PFPMS经果汁、酱油、可乐、咖啡、牛奶五种污染物的防污性测试，表明微胶囊、纳米SiO₂在低表面能PU/^FPDMS基体表面构筑的微纳突起结构有利于PFPMS获得优异的防污性能（图3）。

图3（a）空白基体、PFPMS的静态接触角与滑动角，（b）PFPMS经磨损后的静态接触角、滑动角；污染物附着下的静态接触角与滑动角（c）涂覆在不同基材上的空白基体，（d）涂覆在不同基材上的PFPMS；PFPMS表面的（e）SEM（f）AFM图片

IPDI@PGMA_m/GO自修复微胶囊的引入有利于PFPMS获得优异的自修复性能。PFPMS在65℃下修复30min后切断面重新联接在一起，划痕处长出新的固态物质，拉伸强度达到原始状态的92.21%，容抗弧半径恢复到原始状态的数量级，U_corr、I_corr值也恢复到原始状态的水平。此外，微胶囊的填充有利于形成迷宫效应，有效阻碍电解质的渗透，降低腐蚀速率，如图4所示。

图4 空白基体哑铃试样、PFPMS哑铃试样在原始状态、切口后及修复后的（a）拉伸强度，（b）扯断伸长率；（c）PFPMS哑铃试样的切口照片；PFPMS（d）划痕后，（e）修复后的光学显微镜照片；PFPMS表面（f）划痕后，（g）修复后，及断面（h）修复前，（i）修复后的SEM照片；空白基体、PFPMS在原始状态、修复后的（j）Nyquist图，（k）等效电路图，（l）动极化曲线.

该成果发表在 Advanced Composites and Hybrid Materials, 2022, 5:1899–1909

论文第一作者为陕西理工大学刘杰，陕西理工大学郑楠和广州大学林璟为共同通讯作者。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-022-00515-1

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（责任编辑：xu）

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