兼具疏油与自我修复能力、易于黏附在多种物料表面的新型硅涂层

 

香港城市大学(城大)的研究团队,最近成功通过分子工程,突破现有物料限制,研发了一种新型超分子有机硅(DOSS)涂层,能够同时兼具自我修复和疏油的特性,而且易于黏附在多种表面上。研究人员相信该涂层可用于自我清洁、防污、催化、储能和传热等方面,于能源、环境和生物医学范畴均能广泛被应用。

能够疏水、疏油、抵挡各种损伤或者具有自我修复能力的涂层物料,于日常生活以至多个行业都极具需求。然而,现有物料都只具有上述个别特性,或是因涂层物料的疏油特性,使其难以黏附在固体物料表面而不利作为涂层之用。

城大生物医学系副教授姚希博士领导的研究小组,花了近三年时间研究,最近取得突破。他们透过分子工程,研发出一种新型的超分子物料,成功将可自我修复、具高黏附力和疏油三种特性罕有地结合于一身,称为「自修复疏油超分子有机硅涂层」(damage-healable, oil-repellent supramolecular silicone),简称DOSS涂层。这种涂层物料近日更荣获香港创新科技及制造业联合总会颁发的香港创新科技成就大奖2019 - “亚洲国际创新发明大奖”之“金奖”。

独特分子 “三臂结构 黏附力大增

姚博士说︰ “我们运用了分子工程设计,将这种硅氧烷聚合物的分子,设计成独特的三臂结构,加强了分子中的氢键(hydrogen bonding)可以有序地大量形成网络,从而加强键合,不仅有助使涂料在固体界面上的黏合,还可以增强涂料自我修复的性能。”

 
DOSS材料采用独特的三臂设计,加强分子间氢键的结合,不仅有助在固体接口的黏合,还可以增强自我修复的性能。(图片来源: Liu et al., Sci. Adv. 2019; 5 : eaaw5643)
DOSS材料采用独特的三臂设计,加强分子间氢键的结合,不仅有助在固体接口的黏合,还可以增强自我修复的性能。(图片来源: Liu et al., Sci. Adv. 2019; 5 : eaaw5643)

研究证实,两块玻璃只需用1平方厘米的DOSS 涂层黏合,已能承载一公斤的重量,原因是涂层与物料之间通过组成氢键,产生强力的相互作用,使涂层牢固地黏附到各种物料表面上。

研究团队进行过不同的测试,得出的结论是这种新涂层可以黏合于各种物料表面,包括纸板、铝、铜,塑料甚至疏水的Teflon。

1kg weight
研究证实,不同的物料包括纸板、钢和玻璃等只需用1平方厘米的DOSS涂层黏合,已能承载一公斤的重量。(图片来源: Liu et al., Sci. Adv. 2019; 5 : eaaw5643)

 

姚博士表示,DOSS涂层的疏油特性使其易于清洁,因此可用作医疗设备的防污涂层,甚至可以喷涂在墙壁上以防止涂鸦;其自我修复性能则可广泛应用在电子设备的屏幕防指纹保护膜、汽车挡风玻璃,以至一些苛刻环境和难以持续维修保养的高尖端领域,如航空、航天空、海洋、太阳能板面、仿生皮肤、仿生机械人等方面。

他续指出,涂层以有机硅为主要原料,生产成本远低于市场上现有的、以有机氟化物为主的产品,易于后续的产品开发和普及应用。团队的下一步会将材料商业化,并正申请美国专利。

该研究结果早前发表在科学杂志《Science Advances》上,标题为“Supramolecular silicone coating capable of strong substrate bonding, readily damage healing, and easy oil sliding”。姚博士是该论文的通讯作者。第一作者是城大生物医学系博士毕业生兼研究员刘美金博士。研究团队成员还包括城大机械工程学系的王钻开教授、生物医学系的王昭月刘鹏,以及香港理工大学机械工程学系副教授姚海民博士

Self healing
涂层表现出自我修复的特性,如A部分显示,油滴在涂层「愈合」后成功滑走。(图片来源: Liu et al., Sci. Adv. 2019; 5 : eaaw5643)

 

姚博士表示,DOSS涂层的疏油特性使其易于清洁,因此可用作医疗设备的防污涂层,甚至可以喷涂在墙壁上以防止涂鸦;其自我修复性能则可广泛应用在电子设备的屏幕防指纹保护膜、汽车挡风玻璃,以至一些苛刻环境和难以持续维修保养的高尖端领域,如航空、航天空、海洋、太阳能板面、仿生皮肤、仿生机械人等方面。

他续指出,涂层以有机硅为主要原料,生产成本远低于市场上现有的、以有机氟化物为主的产品,易于后续的产品开发和普及应用。团队的下一步会将材料商业化,并正申请美国专利。

该研究结果早前发表在科学杂志《Science Advances》上,标题为“Supramolecular silicone coating capable of strong substrate bonding, readily damage healing, and easy oil sliding”。姚博士是该论文的通讯作者。第一作者是城大生物医学系博士毕业生兼研究员刘美金博士。研究团队成员还包括城大机械工程学系的王钻开教授、生物医学系的王昭月刘鹏,以及香港理工大学机械工程学系副教授姚海民博士

姚希博士相信DOSS涂层的应用广泛。他近日凭这研究获香港创新科技及制造业联合总会颁发“亚洲国际创新发明大奖”之“金奖”。
姚希博士相信DOSS涂层的应用广泛。他近日凭这研究获香港创新科技及制造业联合总会颁发“亚洲国际创新发明大奖”之“金奖”。

 

是次研究得到国家自然科学基金委员会、香港研究资助局的“优配研究金”及协作研究金的支持。

DOI number: 10.1126/sciadv.aaw5643 

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。

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