有机氟硅超光滑材料的研究与应用

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抗粘附是界面科学和材料工程领域的重要研究课题之一。通过使用抗粘附涂层(防污涂料),从源头上避免污损物的粘附是目前最简单有效的抗粘附手段。在各种防污涂层中,含液超滑表面(LIS)代表了最新一代的防污技术。此类涂层的关键是把惰性的润滑液固定在表面,使得材料从宏观上看具有固体材料的特征,便于加工和使用,而从微观上看,液体分子可保持液态的流动性,能自发形成超滑表面,让外物能轻易的滑走,从而达到抗粘减阻的目的。相对现有的防粘附方法,如低表面能涂层、超疏水表面,含液超滑涂层具有抗高压、适用于水下环境的特点,在海洋防污、水系统防粘等方面具有广阔的应用前景。然而,现有的超滑涂层存在着制备成本高、稳定性相对差而使用有效期短等问题,而且,这一类技术在我国还缺乏实地测试的案例。本论文研究针对这些问题,发展了两类合成工艺简单、成本低廉、能自我补偿润滑剂从而提高材料使用寿命的超滑材料。主要研究成果及结论如下:(1)全氟凝胶被认为是性能最好的凝胶类超滑材料,然而,小分子全氟凝胶力学性能差、全氟聚合物凝胶合成困难;因此,目前尚无全氟聚合物凝胶材料。针对这一问题,本论文提出溶胀低结晶度多孔聚四氟乙烯(PTFE)薄膜的新方法,首次制备一类全氟聚合物超分子凝胶涂层。这一方法使用生胶带(一种多孔聚四氟乙烯)作为基底,利用生胶带不同于普通的刚性多孔聚四氟乙烯(PTFE)薄膜、具有较低的分子间相互作用的特性,使用全氟聚醚等润滑剂浸泡生胶带,填充多孔区域和溶胀结晶度低的聚合物,形成以高结晶度PTFE链段区域为交联结构的超分子全氟凝胶。这种全氟超分子聚合物凝胶不同于经典的含全氟润滑剂多孔表面(SLIPS)体系,其表现出典型的超分子凝胶特征,即溶剂化的聚合物链;但也表现出异于普通聚合物凝胶的特性,如可通过控制力学拉伸来改变溶胀率。特别地,这类凝胶表现出极为优异的延展性,便于加工到不同的基底上,形成防污、抗菌涂层。在润滑剂损耗致使材料的超滑性能降低后,可通过外力按压收缩超分子交联框架让润滑剂释放到表面来恢复表面超滑性。(2)全氟聚合物凝胶成本还是相对贵、不具备弹性,且在海洋防污方面性能不如有机硅类聚合物;而当前的有机硅类超滑弹性体材料力学性能差、防污范围窄、防污有效时间短。针对这些问题,本论文研发了一类具有降解特性的双亲动态聚二甲基硅氧烷弹性体(dPDMS)。这类弹性体是通过一种新提出的“二合一”的方法制备得到。此方法以双功能的四甲基铵硅烷醇(BTMASA)为引发剂,通过阴离子本体开环聚合(AROP)八甲基环四硅氧烷(D4)直接制备得到以四甲基铵硅烷醇(TMASA)为端基的哑铃型遥爪聚合物弹性体。在这种弹性体中,聚合物是通过TMASA之间的静电作用交联形成动态有机硅弹性体。弹性体具有双动态的机制:超分子静电作用和硅氧键动态交换,使得材料表现出优异的力学性能和自修复性。另外,硅氧键弹性体具有双亲的特性,即疏水的聚二甲基硅氧烷(PDMS)链和亲水的静电交联微区。TMASA在聚合后依然保持其活性,能催化PDMS链形成环线平衡,在环状小分子润滑剂损耗时能自动降解。这类动态基底能溶胀硅油形成抗污性能良好的超滑材料。(3)在制备这两类廉价超滑材料的基础上,在船艇、大型深远海养殖网箱平台、深远海养殖网衣、海洋监测浮标、大型引水工程渡槽等应用场景评估了该类超滑材料的工程应用适用性以及成膜涂层的减阻、耐磨、防生物污损效果。充分说明了所研发的有机氟硅超滑材料工程适用性好,有明显防污减阻效果,具有非常广阔的应用前景。
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