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  周敦颐《爱莲说》中用来描述荷花的“出淤泥而不染”常常被用来形容一个人即使从污俗的环境中出来,但仍然保持自己纯真而高贵的品质。那么为什么荷花能够做到从污脏的环境中出来,但仍然很干净呢?这主要是来源于它的自洁功能。荷叶的表面具有微纳米结构的粗糙表面,和超憎水的蜡状物质,因此使得荷叶的表面同时具有超憎水和超憎油的性能,从而达到自洁的功能。


图1 荷叶的表面结构放大图

  对于微观结构上光滑的表面(图2左),水滴会对表面上的颗粒进行重新分布。而对于在纳米层面上粗糙的表面(图2右),水滴会将颗粒从表面带走,从而达到自洁的功能。


图2 表面粗糙度和自洁功能的关系。对于光滑的表面(左图),水滴会对表面上的颗粒进行重新分布;而对于粗糙的表面(右图),水滴会将颗粒从表面带走

  对于UV光固化材料的自洁和耐污功能,比较常用的方法是在分子结构中引入采用低表面张力的硅或氟的结构,或者采用同时在分子链中引入憎水和亲水的官能团得到一个两性的结构。不过这种方法的一个重要挑战就是如何达到降低表面张力的同时,材料和配方中其他组分相容性的平衡的问题。相容性差,固化后材料的表面性能就会很差。而相容性太好,其耐污自洁功能又会大打折扣。

  韩国鞋类和皮革技术研究所(Korea Institute of Footwear & Leather Technology)的Jae Hwan Chuna等人采用首先使用全氟聚醚多元醇制备含有全氟结构的光固化聚氨酯材料,然后再在光固化材料中添加荷叶粉的方式来降低其表面张力,强化其憎水性。


  主题聚氨酯树脂是通过聚碳酸酯多元醇,全氟聚醚多元醇(PFPE)和HMDI来制备得到的(结构示意图如图3)。未添加PFPE的聚氨酯的水接触角为76°,添加了2%和10%摩尔比的PFPE之后,聚氨酯的水接触角分别提高到了101°和107°。但由于PFPE和其他组分的相容性很差,过多添加会导致最终涂料的相容性差,同时会大大影响最终材料的物理机械性能。


图3 合成得到的含有全氟聚醚结构的光固化聚氨酯材料

  荷叶粉的制作,是首先将荷叶切割成小片,再用自来水和去离子水分别冲洗多次,之后在室温下(25C°)干燥两周。然后采用多混合器研磨机研磨成粉,再用孔径≤45微米的不锈钢丝网筛筛选,最后在室温下真空干燥过夜得到最终的荷叶粉(LLP)。


图4 荷叶(a前方,b 后方)和荷叶粉(c)的扫描电镜图

  从表1(表中-L1和-L2表示分别添加了1%和2%的LLP,F2和F10表示PFPE在多元醇中占比为2%和10%摩尔比)和图5中可以看出,通过添加了憎水的LLP之后,复合材料膜的憎水性得到了提高,水接触角也得到了增加。

表1 聚氨酯树脂改性及添加荷叶粉之后水接触角和表面张力变化



图5 纯聚氨酯树脂(上图)和添加了10mol%PFPE聚氨酯树脂(下图)的静态水接触角的光学图片。最终固化膜中LLP的含量为0wt%(a,d),2wt%(b,e)和2wt%(c,f)

  添加了LLP之后,复合材料的表面形态会表的粗糙,LLP粒子会聚集在涂层表面,从而影响到材料的表面性能。在聚氨酯材料中PFPE量增加时,由于连接到主链上的PFPE本身的柔韧性,材料的抗张强度会略有降低,断裂伸长会略有增加。


  Jae Hwan Chuna等人的工作说明,通过添加荷叶粉(LLP)可以提高光固化聚氨酯材料的憎水性。添加1和2%的LLP到光固化纯聚氨酯材料或者氟改性聚氨酯材料中,材料的表面能会降低范围达到13到40%,同时其物理机械性能不会受到影响。同时采用将全氟聚醚(PFPE)引入主链结构,以及添加LLP,可以对于改善光固化聚氨酯材料的表面憎水性起到协同效应。

参考资料

  • Chun, J. H., Cho, Y.-K., Jin, Y. E., Park, C. Y., Park, S. S., & Lee, W.-K. (2018). Coating properties of UV-curable polyurethane acrylate composites with lotus leaf powder. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 660(1), 110–114.

  • https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%8E%B2

  • Lee, H. Y., Nagappan, S., Kim, Y. W., Lee, B., Ha, C.-S., Chung, I., … Jang, S.-H. (2015). Fabrication of Controlled Surface Properties of Poly(L-lactide) by Mixing with Lotus Leaf Powder. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 622(1), 125–128.

  • Barthlott, W., & Neinhuis, C. (1997). Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta, 202(1), 1–8.

  • Nagappan, S., Park, J. J., Park, S. S., Lee, W.-K., & Ha, C.-S. (2013). Bio-inspired, multi-purpose and instant superhydrophobic–superoleophilic lotus leaf powder hybrid micro–nanocomposites for selective oil spill capture. Journal of Materials Chemistry A, 1(23), 6761.