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八角湾实验室和兰州化物所研发出高耐磨、超润滑的可再引发聚合物刷涂层
2022-04-14 21:50

    表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)是一类高度可控的表面改性方法,接枝的聚合物刷为表面科学和工程的研究提供了理想的模型。但在湿环境下聚合物刷及引发剂层的机械耐磨性以及化学稳定性较差限制了其在实际生产中应用,构建一个坚固的引发剂层,接枝牢固的聚合物刷层是目前该研究领域的挑战。

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图1. 高机械稳定性的可再生聚合物刷涂层(PIC)制备过程

    近期,先进材料与绿色制造山东省实验室和中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究团队从摩擦学的角度出发,发展了一种高耐磨超润滑的表面聚合物刷接枝方法。

   该方法的关键是构建了一种具有高机械稳定性、持续引发活性的引发剂涂层(Persistent Initiation Coating, PIC),如图1所示,将引发剂引入到无机溶胶-凝胶纳米涂层中,然后表面引发接枝修饰聚合物刷。与传统的化学气相沉积(CVD)方法制备的硅烷引发剂表面相比,PIC能有效提高引发剂层的力学稳定性,使其能够承受上万次的摩擦循环(图2),最重要的是在PIC上接枝的聚合物刷也比传统CVD方法制备的聚合物刷具有更高的耐磨性。

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图2. PIC以及接枝聚合物刷后涂层的耐磨性

    当接枝的聚合物刷磨损后,PIC仍可以触发新的聚合反应(图3)。与传统的表面接枝聚合方法相比,该涂层的引发剂存在于整个无机层中,高机械强度的无机层可保护引发剂不易被磨损。在接枝聚合物刷时,聚合物刷不仅仅存在于无机层表面,部分反应溶液可渗透进无机层从而实现在亚表面接枝聚合物刷,使得该涂层具有优异的机械稳定性。一旦表层的聚合物刷被磨损,由于底层引发剂的存在,该涂层可再引发接枝聚合物刷,该过程可重复多次。涂层在反应溶液中优异的润滑性能证实了聚合物刷可以实现在摩擦过程中的重复接枝。

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图3 聚合物刷在PIC涂层表面的重复接枝

    PIC在不同材料表面具有较好的结合强度,可以在不同的基底表面实施。为了证实该涂层的实用性,通过喷涂的手段将无机引发剂层涂覆到大尺寸镜面上并接枝亲水聚合物刷,镜面的水接触角大幅度降低并具有优异的防雾效果;PIC也可以修饰其它疏水聚合物(如pMMA, pSt, pPFOA),实现涂层表面的功能化。

    该工作为构建耐磨、低摩擦、再引发聚合物刷涂层提供了一条新途径,为聚合物刷表面材料的实际应用提供了更多可能。该工作以“Repeatedly Regenerating Mechanically Robust Polymer Brushes from Persistent Initiator Coating (PIC)”为题发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上(DOI:10.1002/anie.202204410)。

    文章第一作者是兰州化物所博士生刘一喆,通讯作者是周峰研究员、裴小维研究员和吴杨研究员

    该研究得到了国家自然科学基金委、中科院和山东省科技厅等的支持。



原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202204410


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