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【科研速递】材化学院汤龙程团队在ACS Appl Mater Interface上发表研究论文

来源 : 材料与化学化工学院     作者 : 张国栋     时间 : 2021-09-08     

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材化学院汤龙程团队在ACS Appl Mater Interface上发表研究论文


      日前,材料与化学化工学院汤龙程团队发现了一种超快速火焰处理方法,能精确控制柔性硅泡沫材料的表面微/纳结构,实现材料表面的超疏水性质,并保持其优异的机械稳定性,且具有快速可修复特性。相关研究成果以“Ultrafast Flame-Induced Pyrolysis of Poly (dimethylsiloxane) Foam Materials toward Exceptional Superhydrophobic Surfaces and Reliable Mechanical Robustness”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces(IF: 9.229)上。

       近年来,轻质高弹且表面超疏水的聚合物泡沫在可穿戴电子、吸收与分离、组织工程等领域应用前景广阔。然而,在刚性基底构筑出稳定的超疏水涂层,通常难以适用于软性基底,特别是聚合物泡沫材料。这些超疏水涂层通常极为脆弱,在局部高应力下很难承受严重变形,结构变得不稳定,甚至发生破坏。而模版法、3D打印等方法需要特殊设备或使用有毒溶剂等,且需经过高温、模板移除等复杂步骤处理,限制了其实际应用。因此,研究开发一种简便、快速、绿色的方法,制备具有卓越机械性能和表面超疏水的轻质聚合物泡沫材料具有重要意义。

      团队开发出一种简单、快速、环境友好的火焰诱导热解(FIP)策略,在聚二甲基硅氧烷(PDMS)泡沫上制造机械坚固和超疏水表面。只需1~6s的超快FIP过程,就可以在硅橡胶泡沫(SiRF)材料表面构筑出坚固的特殊波纹状微/纳粗糙结构,实现表面超疏水特性,并能够保持结构稳定性。此外,这类超疏水高弹性SiRF材料的制备仅需3分钟即可完成,满足大尺寸制备(如3s可制备15mm长度),并且可根据需要将样品切割成各种大小和形状,满足特定的实际需求。

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超疏水SiRF材料的绿色快速制备工艺及其表面结构形成机制


通过简单改变火焰扫描速度(2.5-15.0 cm/s)可以调节PDMS分子的热裂解度,在SiRF骨架上构建出稳定可靠的微波状微/纳结构。结果显示,未经处理的SiRF样品表面光滑,其水接触角(WCA) 为118°和水滚动角(WSA) >90°,疏水性能不够理想。相较而言,对SiRF样品进行3s的火焰处理,在骨架表面上形成波纹状的二氧化硅微/纳粗糙结构,实现稳固的超疏水表面(WCA>155°,WSA<5°),在20次循环摩擦磨损后仍具有良好的超疏水性质。此外,如继续增加火焰处理时间,则可进一步提高表面疏水性能,但同时也会导致泡孔结构破坏,其表面疏水结构也呈现不稳定的特点。

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不同时间FIP处理的硅泡沫材料的典型扫描电镜图像和表面水接触角和滑动角


      研究发现,在60%应变的压缩、100%应变的拉伸、90°弯曲的100次循环以及恶劣环境条件(包括酸/盐/碱条件、高/低温、紫外线老化和严酷的循环磨损)处理后,超快FIP工艺(~3 s)制得的硅泡沫材料仍能保持可靠的力学性能和卓越的疏水性能。据了解,团队已通过FIP方法成功制备出“力学可靠且表面超疏水的硅泡沫材料”,并克服了软质泡沫材料基底上超疏水涂层普遍存在力学可靠性和表面超疏水性之间相互排斥的难题。
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不同变形模式下SiRF-FT-3s样品的机械性能和防水性


      材化学院高级实验师张国栋,硕士研究生吴志豪、夏乔琦为论文并列第一作者,汤龙程研究员为文章的通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和杭州市科技计划项目等的联合资助。

      

      人物简介:


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      汤龙程,工学博士,研究员。长期从事氟硅高分子纳米复合材料应用基础研究,主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和企业横向项目等20余项。已在ACS Nano,Chem Eng J,J Mater Chem A等期刊上发表论文70多篇;共有12篇入选ISI-ESI高被引论文,H-index=37。先后获2019英国皇家化学会材料类期刊“Top1%高被引中国作者”、2017年度Elsevier出版社和Compos Part A杂志联合颁布Editor’s Top Reviewer Award等。获国家授权发明专利40余项,部分技术已在合作企业转化应用。

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      张国栋,工学博士,高级实验师。主要从事新型有机硅及聚合物、功能有机硅材料的研究。先后主持和参与国家自然科学基金项目、浙江省科技厅公益项目以及横向科研项目等10余项。已在国内外重要刊物ACS Appl. Mater. Interfaces,Compos Sci Technol等杂志上发表论文20多篇,申请/授权国家发明专利20余项。

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      吴志豪,材化学院硕士研究生在读,研究方向为有机硅高分子及其硅基功能泡沫/气凝胶材料的设计、合成与阻燃/隔热性能研究。已申请国家发明专利1项,在ACS Appl. Mater. Interfaces发表论文1篇。

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      夏乔琦,材化学院2020届硕士研究生,在校期间研究方向为特种(氟)硅橡胶泡沫材料的基础研究与应用开发。在ACS Appl.Mater.Interfaces,Composites Part A发表论文2篇,已申请国家发明专利3项。























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