图1快速自愈合透明疏冰涂层的分子设计及自愈合机制
研究表明不仅是分子链的柔性,氢键位点的浓度同样对所制备弹性体的自愈合速率有着重要的影响。氢键位点浓度越高,容易形成氢键从而限制了分子链的移动,进而降低愈合速率,但同时能够增加断裂处形成新的氢键的概率,反而能增加愈合处的强度。该研究通过优化分子链和氢键浓度,制备出了具有超快速的自愈合能力弹性体,能够在室温下,45min之内恢复80%以上的拉伸强度(图2)。实验和分子动力学模拟揭示了快速自愈合原理。通过XPS表征,研究者发现断裂表面的自由氢键位点才是决定愈合速率的关键,具有浓度较高的自由氢键位点的样品能够获得最高的自愈合速率(图3)。
图2所制备弹性体的快速自愈合能力。
图3XPS揭示了快速自愈合原理。
由于采用柔性很高且疏水的聚二甲基硅烷(PDMS)作为链段,所制备弹性体具有较低的弹性模量和较高的水接触角(图4a-c)。当加载切应力于涂层表面的冰时(图4d),低模量的涂层和高模量的冰之间就会形成应变不匹配,从而在界面处产生缺陷,进而促进冰的剥离。由于低模量和疏水性,涂层具有较低的冰黏附力(38.3?±?0.5?kPa)。更重要的是,涂层的快速自愈合能力使其获得出色的机械耐用性:在20次结冰/除冰循环后,甚至是在切割愈合后,涂层依然能够保持在50 kPa左右的冰黏附力。涂层还展现出了超高的透明度(图5a,b)和可回收性(图5c)。
图4所制备涂层的润湿性及疏冰性
图5所制备涂层的润湿性及疏冰性
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