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国外研究团队提出水凝胶涂料新概念或成为环保涂料“黑马”

2019-11-19 20:07:25

水凝胶因其具有优越的亲水、润滑，生物相容、药物缓释等特性而成为研究热点。功能性的水凝胶涂层更是在工程以及医药领域有广泛的潜在应用前景，包括药物输运、柔性机器人，人造皮肤，传感，水下防污等。

一般制备水凝胶涂层的过程通常含有三个过程，包括单体共价聚合到聚合物链上；聚合物链交联形成聚合物网络；聚合物网络和基材进行共价互联。通常，这三个过程是同步进行的，而制备水凝胶原料中不可避免的含有毒性组分（比如单体）、一定程度上限定了水凝胶涂层的应用，尤其是在医药领域。

对于普通涂料而言，交联过程和互联的过程是分开的，哈佛大学的锁志刚院士课题组，受此启发，结合水凝胶应用场景特点，提出水凝胶涂料的概念，建立相关涂料体系，在该体系中，涂料的制备和涂料的应用过程分开进行，整个涂层的制备过程分成四个部分：配方调制、基材处理、涂料涂敷、固化。通过将有毒的工序停留在具有特殊保护的含配方调制的制备过程，而降低应用过程中的风险和难度。

在介绍这一概念的过程中，研究者以p(AAm-co-TMSPMA) 水凝胶为例，先通过自由基聚合形成高分子水凝胶，在以硅烷作为偶联剂实现水凝胶和基材的互联。

对基材的预处理，主要是通过氧气等离子体（O2-Plasma）和臭氧紫外线（Ozone UV）等技术进行处理，表面形成羟基基团，以便于在固化阶段和硅烷偶联剂末端作用形成致密的硅氧烷结构。该水凝胶涂料固化过程中，无毒无有害物质，环保，便捷。

在水凝胶涂料中，因为凝胶内部的交联和界面互联（Interlink）相互独立，最大化降低施工者在应用施工时和有毒物的接触。此外，施工条件温和，简单，因该水凝胶涂料为液态，可以通过链转移助剂（CTA：chain transfer agent）调解黏度范围，黏度从0.5Pa.s到1000Pa.s，横跨三个量级，使得施工方法可以变得多样，比如，刷涂、浸涂、旋涂、喷涂等等，均适合。另外，水凝胶涂料还可以通过干燥处理，从液态变为粉末态，保存时间将得到进一步的延长，在施工过程中，通过加入水，形成液态水凝胶涂料。

另外，作者还通过在配方中调节硅烷偶联剂的加入量，优化和改善固化后水凝胶涂层和基材附着力（900 J/m2水平）。

在建立水凝胶涂料体系之外，课题组还对水凝胶涂料体系的可能应用做了一些探索工作，首先，应用浸涂方法将p(AAm-co-TMSPMA)水凝胶涂层引入到医用金属导线表面，通过调节浸涂的速度，可以调整表面涂层的厚度。进一步比较发现，涂层可以显著减少原金属导线表面缺陷，大幅降低表面摩擦系数（是未涂敷表面摩擦系数的1/8），摩擦测试50次后，依然没有明显变化，保持稳定。

水凝胶涂敷的镍钛合金导线

此外，基于三种不同的施工方法，制备了另外三种水凝胶涂料，分别是：温度敏感水凝胶涂料（poly(N-isopropyl acrylamide-co-TMSPMA)）水下超疏油耐脏污型水凝胶涂料（p(AAm-co-TMSPMA)）、PH响应性水溶胶涂料（poly(acrylic acid-co-TMSPAM)）

三种水凝胶涂料的应用

研究者提出水凝胶涂料这一创新性理念，紧紧围绕着施工过程环境友好的特点，后续如在功能性方面多多加以探索，在制备技术方面和基础化学有更紧密的结合，原材料方面将有望得到更大的丰富，并满足产业化要求，将有可能作为一匹黑马，成为环保涂料的重要选项。

本论文以《Hydrogel Paint》为题发表在最新的在Advanced Materials杂志上。

论文第一作者为：姚晰教授，目前就职于河南大学。通讯作者为哈佛大学的锁志刚院士。

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