智能聚合物涂层：适用于高端应用的热响应技术

来自 实验室仪器网

研究人员提出了一种利用半结晶聚合物的热转变来调节表面特性的方法。这为响应性涂层的研发提供了一种途径，有望应用于光学系统、微流体和传感器技术。发表在《先进材料》。

聚合物刷是由一端以化学方式连接到表面的薄层聚合物链，使其能够延伸到周围环境中。这些结构对温度、pH值或溶剂成分等环境刺激高度敏感。

这些自适应结构因其调节润湿性、粘附性和渗透性等特性的能力而被广泛应用于涂层、生物医学设备和膜中。

传统的调节刷子行为的策略通常侧重于溶剂相互作用。本研究重点关注相变，特别是半结晶聚合物中侧链的熔化，以此作为控制刷子构象的机制。

这种方法可以根据温度实现表面特性的可逆变化，为设计动态功能材料提供了新的可能性。

热控表面改性的机制

在本文中，作者研究了液态正构烷对由聚（甲基丙烯酸正烷基酯）（PnMA）制成的亲油性瓶刷聚合物的润湿行为。

通过改变这些刷子的侧链长度，他们可以微调熔化温度，从而调节膨胀和润湿性。这项研究主要集中在P18MA上，并将其与聚(12-甲基丙烯酸酯)(P12MA)等短链变体的刷子进行了比较。

研究人员采用表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)、原子力显微镜(AFM)和和频生成(SFG)光谱来分析温度引起的膨胀如何影响润湿。

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关键指标包括接触角变化、刷子厚度和不同温度范围内的机械行为，从而深入了解加热后从固态到液态的转变。

主要发现：可调和可逆转变

实验结果表明，P18MA聚合物刷在温度变化时表现出不同的三阶段热行为。在较低温度下（阶段I，低于29°C），刷子保持塌陷状态，呈固体状，接触角稳定在约26°，且未观察到明显的膨胀。

在中间温度范围内（区域II，29°C至34°C之间），本体熔化引发显著膨胀，导致刷子厚度在接触线附近增加三倍，而接触角保持不变。此阶段还出现了可见的光晕效应，表明局部吸油。

在较高温度下（区域III，高于34°C），发生表面熔化，导致接触角急剧下降至5°以下，表明几乎完全润湿并转变为类似液体的行为。

SFG分析证实，十八烷基侧链在38°C左右发生分子无序化，与表面熔点一致。有趣的是，表面熔化发生的温度高于本体熔化的温度，这突显了聚合物刷表面和本体之间独特的动力学特性。

这些转变是可逆的，可以通过均匀加热或局部激光激发来改变，显示出创建能够适应不断变化的环境条件的热响应智能涂层的潜力。

这项研究对材料科学具有重要意义。热响应P18MA聚合物刷可用于创建具有可调特性的表面，以适应环境刺激。

在涂层应用中，这些刷子可以在疏水和亲水状态之间切换，从而实现自清洁和防雾功能。同样，在微流体领域，它们在不同润湿性状态之间切换的能力可以促进流体的选择性运动以及对流体传输的精确控制。

本体膨胀和表面润湿转变的分离也为开发具有可调反射率和附着力的光学涂层以及响应温度以提高性能的先进润滑系统提供了机会。这些聚合物刷还可以用于传感器技术，其激光激活图案化功能可以实现精确、可重写的表面改性。

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