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史上最强超分子有机硅粘合剂问世!有望长期服务于恶劣环境

超分子化学(supramolecular chemistry)最先由法国科学家J.M Lehn提出,是化学与生物学、物理学、材料科学、信息科学和环境科学等多门学科交叉构成的边缘科学。近年来,科学家们已经开发了具有刺激响应性、柔韧性、弹性和韧性等特征的基于有机硅的超分子材料,这些特性使其成为新兴领域最有希望的研究方向,如人造皮肤,软机器人技术和先进涂料等领域。


在涂料应用中,聚合物涂料具有结合力强,可与多种基材结合,广泛的液体排斥,自我修复能力强,在各种应用中有很大的需求。然而,目前的超分子有机硅材料缺乏令人满意的刚度和机械强度,且尚未系统地研究它们在各种基材上的结合能力。


亮点


近期,香港城市大学姚希教授团队开发了一种易于制造且具有罕见功能组合的自修复疏油超分子有机硅(DOSS)涂层,具有对各种烷基油的广泛疏液性、高机械强度、多种表面的强粘附性和自修复等性能。DOSS涂层是通过多价氢键自组装到涂层基材上的硅氧烷低聚物获得上述性能,不仅可以用于能源、环境、生物医学等领域内需要长期服务于恶劣环境的应用,而且低聚物的设计策略也可用于开发具有理想性能的多功能超分子材料。


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DOSS涂层由分子工程远螯式硅氧烷低聚物制备得到,如图1所示,该低聚物具有独特的三臂设计,具有三官能中心和末端的2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶(UPy)基序,并且每个臂上均具有硅氧烷骨架,可以通过多价氢键自组装到各种基材表面。与线性聚合物相比,该低聚物在自组装成大规模网络时可以提供更高的交联密度,独特分子构型还使它们对有机液体具有强大的排斥力,并与金属、塑料、橡胶甚至特氟龙在内的各种基材牢固结合,这将整体提升DOSS涂层的表面和机械性能。


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图1. DOSS涂层制备机理图。


胶粘性能


随后,研究人员评估DOSS涂层在各种基材上的胶粘性能。研究人员将硅氧烷低聚物沉积在载玻片上,通过加热处理以产生0.2mm的均匀薄膜;然后将另一块基板压在该粘合剂层上,即可在两个基板间形成硅氧烷低聚物网络,从而实现均匀的接触和牢固的粘合。如图2所示,在两个粘合面积1cm2的基板上均可悬挂1kg的重量,并且在亲水性纤维素(纸)、聚四氟乙烯、钢板、玻璃板等基材上都能起到很好地胶粘作用。


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图2. 硅氧烷低聚物作为胶粘剂材料的实际应用图


如图3的定量测试表明,纤维素(纸)和所有测试的金属基材的剪切强度均超过20MPa,这是现有商业胶水及其他已报道的胶粘剂材料所达不到的性能。这种高剪切强度可归因于硅氧烷低聚物的高机械强度以及基板和UPy基序之间的高密度氢键,在各种基材上的高机械强度和强大的粘合强度更加凸显了硅氧烷低聚物作为通用粘合剂的多功能性。


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图3. DOSS涂层与商用胶水剪切强度对比


疏油和自我修复特性


研究人员所制备的DOSS涂层还表现出优异的自修复性能。研究人员将涂层交叉切割并通过液滴在表面上的滑动来检测涂层的疏油性。正十六烷液滴很容易从基板上的DOSS涂层表面滑下来(图5A);交叉切割后,正十六烷液滴被阻塞并固定在涂层的损伤区域(图5B);随后去除表面上的残留液滴,并加热涂层15分钟,切割线随之消失;然后液滴又能在愈合的表面上平滑滑动(图5C)。研究人员随后测试30次切割愈合周期来进一步研究涂层耐久性。结果表明,重复处理不会影响涂层的形态和化学性质,这意味着该DOSS涂层具有优异的疏油耐久性和自我修复特性。


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图4. DOSS涂层疏油和自我修复特性表征


在本篇文章中,研究人员提供了一种易于使用的策略,用于快速制造具有强粘附性的自修复DOSS涂层,并系统地研究了基板上组装的低聚物的结构。该策略提供了一种新颖而强大的途径来制造和工程化具有所需多功能性的超分子材料,为在恶劣条件下使用的材料提供了新的研究方向,我们相信这项技术在未来将在涂料、自清洁、催化和传热等领域得到广泛的应用!

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