超薄自愈合聚合物创造了新的、可持续的防水涂层

诸平

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据伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)2021年9月16日提供的消息，该校的研究人员与日本福冈九州大学（Kyushu University, Fukuoka, Japan）的研究人员合作，发现了一种方法，可以使超薄的表面涂层足够坚固，能够经受刮痕和撞击。研究人员表示，这种由薄膜和自愈合技术结合而成的新材料，有几乎无穷无尽的潜在应用，包括自清洁、防冰、防雾、抗菌、防污和增强热交换涂层（Ultrathin self-healing polymers create new, sustainable water-resistant coatings）。

这项新研究发现，在其主干中含有动态化学键网络的特殊聚合物的快速蒸发特性有助于形成一种耐水的、纳米级厚度的自愈涂层。这项研究由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程教授内纳德·科维奇（Nenad Miljkovic）和材料科学与工程教授克里斯多夫·埃文斯（Christopher Evans）领导，于2021年9月1日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站上发表——Jingcheng Ma, Laura E. Porath, Md Farhadul Haque, Soumyadip Sett, Kazi Fazle Rabbi, SungWoo Nam, Nenad Miljkovic, Christopher M. Evans. Ultra-thin self-healing vitrimer coatings for durable hydrophobicity. Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 5210.  DOI: 10.1038/s41467-021-25508-4. Published: 01 September 2021.

在这项研究中，内纳德·科维奇小组的主要重点是通过在冷凝器中使用这些类型的涂层来提高蒸汽发电厂的效率。蒸汽发电厂是全球最大的电力生产商。该研究的主要作者之一、研究生科究助理马景成(Jingcheng Ma音译)说:“当涂层应用于冷凝器表面时，可以使它们更防水，更有效地形成水滴，从而优化传热。”

此项研究的研究人员说，当用于蒸汽发电厂时，薄涂层可能会遇到许多耐久性问题。涂层在几周甚至几小时内就会分解。如此短的寿命使得涂层在现实世界的应用不现实，这在机械和材料科学中是一个大约80年尚未得到解决基本的挑战。较厚的涂层可能更耐用，但它们降低了传热效果，并削弱了涂层的相关优势。

以前的研究表明，大多数超薄涂层一旦在表面上固化，就会产生微小的针孔缺陷。研究人员说，蒸汽会穿透这些缺陷，导致涂层逐渐分层，因此他们的目标是开发一种无针孔、防水的薄膜，并将蒸汽发电厂的整体能源效率提高几个百分点。

克里斯多夫·埃文斯说：“自愈材料可以自我回收和再加工。我们发现，我们可以成功利用动态键的愈合能力，允许涂层在刮痕或防止针孔生长时进行自我修复。”

这种名为dyn-PDMS的材料可以很容易地以纳米级材料浸涂到硅、铝、铜或钢等不同表面。

克里斯多夫·埃文斯说：“我们能得到如此薄的层的一个原因是，反应中使用的溶剂蒸发得非常快，只留下聚合物。而且，一旦固化，这种材料就能很快地自行修复划痕，修复速度之快以至于很难实时观察到。我们只在薄膜材料的大体积样品中看不到这种行为，这是我们现在试图回答的问题。

研究人员认为，在这项研究中开发的超薄涂层为可持续防水材料提供了解决方案，并在材料科学和流体力学中提出了悬而未决的科学问题。

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Abstract

Durable hydrophobic materials have attracted considerable interest in the last century. Currently, the most popular strategy to achieve hydrophobic coating durability is through the combination of a perfluoro-compound with a mechanically robust matrix to form a composite for coating protection. The matrix structure is typically large (thicker than 10 μm), difficult to scale to arbitrary materials, and incompatible with applications requiring nanoscale thickness such as heat transfer, water harvesting, and desalination. Here, we demonstrate durable hydrophobicity and superhydrophobicity with nanoscale-thick, perfluorinated compound-free polydimethylsiloxane vitrimers that are self-healing due to the exchange of network strands. The polydimethylsiloxane vitrimer thin film maintains excellent hydrophobicity and optical transparency after scratching, cutting, and indenting. We show that the polydimethylsiloxane vitrimer thin film can be deposited through scalable dip-coating on a variety of substrates. In contrast to previous work achieving thick durable hydrophobic coatings by passively stacking protective structures, this work presents a pathway to achieving ultra-thin (thinner than 100 nm) durable hydrophobic films.