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密歇根大学开发出超耐用自愈、防水涂层材料
2017-04-20

【密歇根大学官方网站4月4日报道】ANN ARBOR - 密歇根大学开发的一种自愈、防水、喷涂涂层材料,其耐久度比其同类产品高出数百倍。

这种涂层材料可以使目前的防水处理比较薄弱车辆,衣服,屋顶和无数的其他表面防水。它也可以降低船体在水中前行的阻力,这将降低90%货物运输大型船只的燃料消耗。

开发者表示,在经过了几十年研究未能生产出耐用涂层后,新的涂料调和物是一个该领域的一项重大突破。虽然过去的涂层材料目前可以用作防水表面处理剂,但它们通常对于诸如衣物或船体的应用来说并不足够。而本次研究的成果改变这一现状。

密歇根大学材料科学与工程副教授Anish Tuteja说:“过去20或30年来,数千个超疏水表面已经被研究过,但没有人能够弄清楚如何系统地设计一个持久耐用的涂层表面。我认为这正是我们真正取得的成就,它将为其他研究人员打开大门,创造更便宜,甚至更好的超疏水涂层。”

涂层由称为“氟化聚氨酯弹性体”的材料和被称为“F-POSS”的专用防水分子的混合物制成。它可以很容易地喷涂到几乎任何表面上,并且具有轻微的弹性组织,使其比过去的产品更具弹性。

如果被损坏,涂层可以自愈数百次。研究人员在最近发表在《ACS应用材料与接口》的一篇文章中写道:即使在磨损,划痕,烧伤,等离子体清洁,扁平化,声波降解处理和化学侵蚀之后,它可以恢复原状。

除了物理自愈之外,涂层可以化学自愈。如果从表面刮掉防水的F-POSS分子,新分子会自动的迁移到那里以取代它们。这就是为何涂料可自行修复数百次。其自愈能力仅受其厚度的限制。

该发现正由HygraTek公司进行商业化运作,HygraTek是由Tuteja公司在密歇根大学技术转让协助下成立的公司。

除了本文详细介绍的涂料之外,该项目还产生了研究人员可根据具体应用对成本,耐久性和其他因素要求优化的配方。

作为主要作者,密歇根大学博士生Kevin Golovin解释说,他们团队使用了一个与以往在该领域的研究中截然不同的过程。

他说:“大多数材料科学研究人员都致力于确定一种具有耐用性和防水性的化学体系。我们以不同的方式解决了这个问题,通过测量找出可以使防水涂料防水性能更持久的基本化学性质。其中的一些结果使我们感到惊讶。

例如,大多数疏水涂层由两个主要成分制成:提供疏水性的活性分子和粘合剂。一般来说,研究人员认为使用更耐用的成分会使涂层更耐用。 但是Tuteja的团队发现,事实并非如此。

他们发现,比耐久性更重要的是称为“不完全混溶性”的物质,或两种物质的某些部分具有混合在一起的能力。团队发现的另一个关键变量是防水表面的稳定性。

大多数防水涂料的工作原理是因为它们的表面具有非常特定的几何形状,通常是微小的柱状结构。水滴栖息在这些柱子的尖端,而连续的柱状结构在下方形成气袋,拒绝水在固定的地方休息,并使其可轻松在表面滚动。但是这些表面往往易碎——轻微的磨损,甚至水本身的压力也会损坏它们。

该团队的研究发现,一个略微柔韧的表面可以绕开这个缺陷——即使它看起来不那么耐用,其柔韧的属性能使其从损伤中自愈恢复原状。

Tuteja公司预测,涂料将在2017年底之前用于包括防水织物和喷涂涂层在内的相关应用,可供消费者直接购买。

该论文题为“设计具有卓越机械耐久性的自愈超疏水表面”。研究支持由海军研究办公室,空军科研处和国家科学基金会提供。HygraTek和密歇根大学已经申请了该技术的专利保护。(中国航空工业发展研究中心 陈济桁)

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