密歇根大學開發出超耐用自愈、防水塗層材料

ANN ARBOR-密歇根大學開發的一種自愈、防水、噴塗塗層材料，其耐久度比其同類產品高出數百倍。

這種塗層材料可以使目前的防水處理比較薄弱車輛，衣服，屋頂和無數的其他表面防水。它也可以降低船體在水中前行的阻力，這將降低90％貨物運輸大型船隻的燃料消耗。

開發者表示，在經過了幾十年研究未能生產出耐用塗層后，新的塗料調和物是一個該領域的一項重大突破。雖然過去的塗層材料目前可以用作防水錶面處理劑，但它們通常對於諸如衣物或船體的應用來說並不足夠。而本次研究的成果改變這一現狀。

密歇根大學材料科學與工程副教授Anish Tuteja說：「過去20或30年來，數千個超疏水表面已經被研究過，但沒有人能夠弄清楚如何系統地設計一個持久耐用的塗層表面。我認為這正是我們真正取得的成就，它將為其他研究人員打開大門，創造更便宜，甚至更好的超疏水塗層。」

塗層由稱為「氟化聚氨酯彈性體」的材料和被稱為「F-POSS」的專用防水分子的混合物製成。它可以很容易地噴塗到幾乎任何錶面上，並且具有輕微的彈性組織，使其比過去的產品更具彈性。

如果被損壞，塗層可以自愈數百次。研究人員在最近發表在《ACS應用材料與介面》的一篇文章中寫道：即使在磨損，划痕，燒傷，等離子體清潔，扁平化，聲波降解處理和化學侵蝕之後，它可以恢復原狀。

除了物理自愈之外，塗層可以化學自愈。如果從表面刮掉防水的F-POSS分子，新分子會自動的遷移到那裡以取代它們。這就是為何塗料可自行修複數百次。其自愈能力僅受其厚度的限制。

該發現正由HygraTek公司進行商業化運作，HygraTek是由Tuteja公司在密歇根大學技術轉讓協助下成立的公司。

除了本文詳細介紹的塗料之外，該項目還產生了研究人員可根據具體應用對成本，耐久性和其他因素要求優化的配方。

作為主要作者，密歇根大學博士生Kevin Golovin解釋說，他們團隊使用了一個與以往在該領域的研究中截然不同的過程。

他說：「大多數材料科學研究人員都致力於確定一種具有耐用性和防水性的化學體系。我們以不同的方式解決了這個問題，通過測量找出可以使防水塗料防水性能更持久的基本化學性質。其中的一些結果使我們感到驚訝。

例如，大多數疏水塗層由兩個主要成分製成：提供疏水性的活性分子和粘合劑。一般來說，研究人員認為使用更耐用的成分會使塗層更耐用。 但是Tuteja的團隊發現，事實並非如此。

他們發現，比耐久性更重要的是稱為「不完全混溶性」的物質，或兩種物質的某些部分具有混合在一起的能力。團隊發現的另一個關鍵變數是防水錶面的穩定性。

大多數防水塗料的工作原理是因為它們的表面具有非常特定的幾何形狀，通常是微小的柱狀結構。水滴棲息在這些柱子的尖端，而連續的柱狀結構在下方形成氣袋，拒絕水在固定的地方休息，並使其可輕鬆在表面滾動。但是這些表面往往易碎——輕微的磨損，甚至水本身的壓力也會損壞它們。

該團隊的研究發現，一個略微柔韌的表面可以繞開這個缺陷——即使它看起來不那麼耐用，其柔韌的屬性能使其從損傷中自愈恢復原狀。

Tuteja公司預測，塗料將在2017年底之前用於包括防水織物和噴塗塗層在內的相關應用，可供消費者直接購買。

該論文題為「設計具有卓越機械耐久性的自愈超疏水表面」。研究支持由海軍研究辦公室，空軍科研處和國家科學基金會提供。HygraTek和密歇根大學已經申請了該技術的專利保護。