蘭州化物所研發出高機械穩定性的可再引發聚合物刷涂層

  表面引發原子轉移自由基聚合(SI-ATRP)是一類高度可控的表面改性方法,接枝的聚合物刷為表面科學和工程的研究提供了理想的模型。但在濕環境下聚合物刷及引發劑層的機械耐磨性以及化學穩定性較差限制了其在實際生產中應用,構建一個堅固的引發劑層,接枝牢固的聚合物刷層是目前該研究領域的挑戰。 

1. 高機械穩定性的可再生聚合物刷涂層(PIC)制備過程 

  近期,中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員團隊從摩擦學的角度出發,發展了一種高機械穩定性的表面聚合物刷接枝方法。 

  該方法的關鍵是構建了一種具有高機械穩定性、持續引發活性的引發劑涂層(Persistent Initiation Coating, PIC),如圖1所示,將引發劑引入到無機溶膠-凝膠納米涂層中,然后表面引發接枝修飾聚合物刷。與傳統的化學氣相沉積(CVD)方法制備的硅烷引發劑表面相比,PIC能有效提高引發劑層的力學穩定性,使其能夠承受上萬次的摩擦循環(圖2),最重要的是在PIC上接枝的聚合物刷也比傳統CVD方法制備的聚合物刷具有更高的耐磨性。 

2. PIC以及接枝聚合物刷后涂層的耐磨性 

  當接枝的聚合物刷磨損后,PIC仍可以觸發新的聚合反應(圖3)。與傳統的表面接枝聚合方法相比,該涂層的引發劑存在于整個無機層中,高機械強度的無機層可保護引發劑不易被磨損。在接枝聚合物刷時,聚合物刷不僅僅存在于無機層表面,部分反應溶液可滲透進無機層從而實現在亞表面接枝聚合物刷,使得該涂層具有優異的機械穩定性。一旦表層的聚合物刷被磨損,由于底層引發劑的存在,該涂層可再引發接枝聚合物刷,該過程可重復多次。涂層在反應溶液中優異的潤滑性能證實了聚合物刷可以實現在摩擦過程中的重復接枝。 

3 聚合物刷在PIC涂層表面的重復接枝 

  PIC在不同材料表面具有較好的結合強度,可以在不同的基底表面實施。為了證實該涂層的實用性,通過噴涂的手段將無機引發劑層涂覆到大尺寸鏡面上并接枝親水聚合物刷,鏡面的水接觸角大幅度降低并具有優異的防霧效果;PIC也可以修飾其它疏水聚合物(如pMMA, pSt, pPFOA),實現涂層表面的功能化。 

  該工作為構建耐磨、低摩擦、再引發聚合物刷涂層提供了一條新途徑,為聚合物刷表面材料的實際應用提供了更多可能。該工作以“Repeatedly Regenerating Mechanically Robust Polymer Brushes from Persistent Initiator Coating (PIC)”為題發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上(DOI:10.1002/anie.202204410)。 

  文章第一作者是蘭州化物所博士生劉一喆,通訊作者是周峰研究員、裴小維研究員和吳楊研究員。 

  該研究得到了國家自然科學基金委、中科院和山東省科技廳等的支持。 

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