吉大孙俊奇小组拓展层层组装聚合物膜新功能

2011-7-11 09:42 来源: 科学时报
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  在国家自然科学基金项目的资助下,吉林大学教授孙俊奇研究小组将层层组装用于微米级厚度的聚合物复合的快速构筑,制备了自修复超疏水涂层、高效促动器及行走机器,拓展了层层组装膜的功能。

  超疏水涂层在自清洁、抗腐蚀、抗黏附和减阻等方面具有重要的潜在应用。常用的人工制备的超疏水涂层往往由于太阳的光漂白或机械刮擦,而容易失去超疏水性能,这制约其实际应用。如何赋予超疏水涂层自修复的功能,是解决上述问题的一条重要途径。孙俊奇等将磺化聚醚醚酮—聚烯丙基氯化铵(PAH)复合物与聚丙烯酸(PAA)层层组装,基于复合物的大尺度效应,快速制备了具有微纳复合结构且具有通透微孔的微米厚度的聚合物涂层。将涂层热交联,再化学气相沉积全氟辛基三甲氧基硅烷(POTS),制备了具有自修复功能的超疏水涂层。

  该超疏水涂层自修复的功能源于微孔结构的涂层能储存大量可作为修复剂的疏水的POTS,在超疏水功能受损时释放出POTS到涂层的表面,实现超疏水功能的修复。超疏水涂层的自修复在湿润的环境下自发进行,如在40%的相对湿度下超疏水功能的修复仅需4小时,且经历多次损伤和修复后,超疏水涂层仍能保持原来的超疏水性能。除自修复功能外,该超疏水涂层还具有良好的耐磨性能。这一工作为制备耐损伤、长寿命的超疏水涂层提供了新的思路。该研究成果发表于德国《应用化学》并被选为热点文章。

  尽管人们已经制备出了能够感知各种外界刺激的促动器,但能够实现对刺激的快速响应,并将外界刺激产生的物理或化学能量高效地转化为机械运动的促动器的制备却面临极大的挑战。孙俊奇等以PAA/PAH层层组装膜为响应层,在快速构筑PAA/PAH膜表面旋涂光交联聚合物层(NOA63),再将它们从基底上剥离,制备了双层结构聚合物自支持膜。高度吸水的PAA/PAH层和不吸水的NOA63层对环境湿度响应的差异使得双层结构的自支持膜在环境湿度变化下发生快速可逆的弯曲响应,获得了湿度响应的促动器。在促动器的两端连接两只聚合物基片作为“脚”,制备了湿度驱动的行走机器。当环境相对湿度在11%和40%间周期变化时,行走机器能负载促动器本身重量120倍的重物在棘齿结构的基底上快速行走。

  力学分析表明,制备高负载、快速响应的行走机器除了与促动器的双层结构设计有关外,还要求热交联的PAA/PAH聚电解质层同时具有高杨氏模量、大的线性湿度膨胀系数以及快速吸收/释放水的能力。层层组装由于可以对膜结构精细调控而能够制备满足上述要求的聚电解质膜,而将膜从基底上剥离下来,是制备具有弯曲响应促动器的关键。