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仿珍珠层结构高强多功能双氢氧化物/氧化石墨烯纳米复合涂层

在材料表面上设计和制备功能性涂层不仅可以作为材料的保护层,还可以赋予材料新的功能。最近,具有各种特殊功能性的纳米复合涂层已经被广泛应用到各个领域,例如:具有选择性分离的功能涂层、可自修复功能涂层、具有自清洁和抗雾性功能涂层等等。近年来,防火阻燃涂层由于其既不影响原衬底材料的本征特性,又可以达到环境友好型的防火效果而越来越受到关注。为了制备出坚固并且具有功能性的纳米防火涂层,科学家们将目光投向大自然以寻求灵感。自然材料诸如海贝、骨头、竹子、木头、节肢动物的外骨骼、玻璃海绵的骨架等等,由于它们的内部结构存在多尺度多级次的结构特性,均表现出超高的机械性能,达到了结构与功能的完美统一。在众多具有高强机械性能的自然材料当中,贝壳是最具有魅力并且研究最为广泛的材料模型之一。贝壳是一种由一些软体动物生长出来作为保护性内壳的有机无机杂化复合材料。由于其良好的“砖-泥”层状结构,贝壳呈现出优异的机械性能和美丽的彩虹色外观。层层组装技术(LBL)是一种由下至上的纳米结构单元组装制备技术。由于其具有简单、通用性强,以及能够在厚度、结构和成分进行纳米层次可控等优点,而被广泛用来制备具有可控性能的多层薄膜。然而,由于其组装速度缓慢,运用传统的层层组装技术制备微米级厚度的薄膜往往需要耗费很长的时间。


仿珍珠层结构高强多功能双氢氧化物/氧化石墨烯纳米复合涂层


基于仿生学的概念和最近发展的新技术启发,中国科学技术大学俞书宏教授课题组发展和利用一种快速而稳健的增强式层层组装方法,成功快速制备出微米级厚度类贝壳状的氧化石墨烯/层状双氢氧化物纳米复合涂层。研究人员充分利用了氧化石墨烯纳米片(GO)和层状双氢氧化物(LDH)的二维结构特点以及两者之间有强烈的静电相互作用和氢键作用,将这两种原材料组装堆积以形成具有有序层状结构的复合涂层。通过实验发现,在一定程度上增加前驱物溶液的浓度,可以有效提高成膜的速度,并能够在数十个组装循环中快速获得微米级厚度的纳米复合涂层。研究结果表明,由于其良好设计的微结构,这种类贝壳状氧化石墨烯/层状双氢氧化物(GO-LDH)纳米复合涂层表现出优异的力学性能,杨氏模量和硬度分别可达18 GPa和0.68 GPa。划痕测试显示该种纳米复合涂层对衬底具有良好的粘附性。不仅如此,将该种纳米复合涂层制备到柔性的PET塑料衬底上,当弯曲此PET衬底时,该种纳米复合涂层也依然可以粘附在衬底上不脱落。此外,由于其夹心层状微结构的特点,该GO-LDH纳米复合涂层还具有与天然贝壳类似的可调控的彩虹色外观。更重要的是,这种新的GO-LDH纳米复合涂层还表现出良好的防火阻燃性,能够阻止火焰对PET衬底的烧灼进而达到阻燃和保护PET的效果。基于这些特点,这类由GO和LDHs构筑而成的纳米复合涂层将来或许可应用于制备坚固多彩的耐火阻燃涂层。这项工作拓宽了层状双氢氧化物-氧化石墨烯杂化材料体系的应用范围,并为今后制备类贝壳超强功能性涂层材料提供了一个新的思路。相关研究结果发表在Small杂志上(DOI: 10.1002/smll.201502061)



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