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加拿大女王大学刘国军教授课题组开发了一种光固化抗污涂料:可抵抗钢丝绒划伤的柔性膜
2019-07-12  来源:中国聚合物网

  折叠屏手机的问世颠覆了传统的显示屏设计理念。 然而高分子基的OLED可折叠屏却容易被异物划伤。传统的手机屏幕使用玻璃作为保护层,以增强屏幕的抗划能力,但玻璃却不易弯折且易碎。塑料相比玻璃可以弯折,却容易产生划痕。因此,发展兼具玻璃般抗划能力和塑料般弯折能力的涂层就变得迫切而必要。如果抗污性能也能被引入,此类涂层的应用前景将非常可观。近期,加拿大女王大学刘国军教授课题组设计了一种集耐磨性,可弯曲, 疏水疏油和透明性为一体的抗污涂层材料,该涂层甚至能够抗钢丝绒的划伤。

  该组在前期工作中,成功开发了一系类的NP-GLIDE (nano-pools of a grafted lubricating ingredient for dewetting enablement) 抗污涂料:聚氨酯涂料 (Angew。 Chem。 Int。 Ed。 2015, 54, 12722-12727。  Angew。 Chem。 Int。 Ed。 2015, 54, 12722-12727),环氧树脂涂料 (Adv。 Mater。 Interfaces 2016, 1600001),光交联涂料 (ACS。 Appl。 Mater。 Interfaces 2017, 9, 30) 和水性涂料 (Chem。 Eng。 J 2018, 351, 210-220)。他们将低表面能的抗污剂,聚二甲基硅氧烷(PDMS)或含氟试剂通过共价接枝的方式连接于涂料的前驱体。当涂层固化后,液体PDMS富集于表面,同时与涂层主体微相分离但不破坏涂层本身的机械性能和透明度。该类涂层具备优异的疏水疏油性能,同时油性马克笔的笔迹能在该涂层表面收缩和轻易擦拭掉(图1)。 

图1:NP-GLIDE 环氧树脂涂层的抗污性能演示

  然而, NP-GLIDE系列涂层的硬度通常只能达到3H(铅笔硬度等级), 不能满足日常应用中的抗划要求,而涂层一旦被划伤,抗污性能力便会大幅减弱。 而涂层的抗划能力取决于其基体的机械性能。为提高涂层的抗划性能,本文报道使用八(3-缩水甘油醚基丙基)笼型倍半硅氧烷(GPOSS)(图2),制备出高透明度,既硬又易弯曲的涂层。GPOSS是分子水平的有机-无机杂化,具有笼型的硅氧烷核和端基环氧官能团,并可进行光交联反应。连接无机核与端基光能团的醚基和亚甲基可赋予固化后的涂层优异的柔韧性。少量PDMS共价接枝于涂层前驱体GPOSS上,不会改变涂层主体的机械性能和透明度,同时赋予其抗污性能。

图2: 目标涂层的制备过程

  按照以上方案制备的有机-无机复合GPOSS涂层,即使采用最高硬度的9H铅笔,依然可以保持表面的完整。通过纳米压痕测试,GPOSS涂层硬度达到了惊人的0。70 GPa,而同等条件下测试的聚氨酯涂层却仅有0。20 GPa, 而且少量PDMS(2。0 wt%)的引入使得GPOSS和NP-GLDIE GPOSS 的硬度基本保持一致。NP-GLIDE GPOSS能够在高达13。0 kPa 的压力下受到钢丝绒摩擦而不被划伤 (图2)。相反聚氨酯涂层由于较弱的硬度使其极其容易被钢丝绒划伤。久而久之,导致其透明度,抗污性能的急剧下降。

图3:可弯曲测试,钢丝绒摩擦测试和抗污性能的演示。

  与此同时,他们将NP-GLIDE POSS涂层涂于PET基材上,从而证实了其优异的易弯曲性能,该涂层甚至能够弯曲为U形而没有任何破裂产生。水和十六烷都能轻易在其表面划过而不留任何痕迹。油性记号笔笔迹和绿色油漆也能很好的在其表面收缩,不需要外部清洁剂和水的介入,只需一张餐巾纸便可将表面笔迹和剩余的油漆残留擦拭干净。使其在抗污领域有着出色的应用。另外,由于涂层主体优异的的抗划伤性能,能够保证涂层的抗污性能相比传统的NP-GLIDE涂层,有着更好的耐久性。

  综上所述,本文将原本互斥的硬度和弯曲性,以及透明度,疏水疏油性能融合到一个光固化体系中,系统的阐释了未来此类涂层发展的指导原则:即最大化的交联有机无机相,使其实现纳米级别的复合。制备出了耐磨,易弯曲,高透光的抗污涂层。此类涂层将广泛应用于代表最新科技的折叠手机,曲面电视的表面涂层。 

  此课题从初始的设计和构思,得到了刘国军老师的悉心指导。同时也得到了黄帅帅博士和王建东老师的大力帮助。

  相关论文链接:

  Kaka Zhang, Shuaishuai Huang, Jiandong Wang and Guojun Liu*.Transparent Omniphobic Coating with Glass-Like Wear Resistance and Polymer-Like Bendability, Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.201904210,

  

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