中科院兰州化学物理研究所周峰研究员团队Langmuir | 剪切稳定的聚合物刷表面

英文原题：

Shear-Stable Polymer Brush Surfaces

通讯作者：周峰，中科院兰州化学物理研究所；吴杨，中科院兰州化学物理研究所

作者： Yizhe Liu (刘一喆)

封面

背景介绍

聚合物刷是聚合物链一端锚固在固体表面，另一端从表面向外自由伸展形成的分子刷状的结构材料。由于聚合物刷组成、结构、厚度以及接枝密度可控，聚合物刷表面材料在不同领域（如润湿、润滑、防雾、自清洁等）都有广泛的应用前景。然而，聚合物刷的机械性能差，在高载荷剪切作用下容易被磨损掉，严重限制了其在实际工况中的应用。本文根据聚合物刷表面的应用需求和发展情况，总结了近年来抗剪切聚合物刷表面的制备策略，并对于不同策略的效果、机理进行了简单探讨。其中，系统的介绍了亚表面接枝聚合物刷技术，通过这种技术，聚合物刷以一定的深度“根植”于固体表面之下，显著提高了耐磨性，为解决聚合物刷表面的剪切稳定性差的问题提供了一种新的途径。

图1. 聚合物刷在不同领域中的应用

综述要点

近日，中科院兰州化学物理研究所周峰研究员在Langmuir上发表了剪切稳定的聚合物刷表面的Perspective文章。根据聚合物刷表面的应用需求和近年来的发展情况，总结了近年来抗剪切聚合物刷表面的制备策略，并系统介绍了可以大幅度提高聚合物刷耐磨性的亚表面接枝技术。

图2. 制备剪切稳定的聚合物刷表面的不同策略

传统方法对于提高聚合物刷耐磨性的研究主要集中在四个方面：（1）提高聚合物刷的接枝密度（高密度聚合物刷），（2）在聚合物刷之间引入交联结构（交联型聚合物刷），（3）改变聚合物刷在表面的接枝形态（环状聚合物刷），（4）改变基材表面的微观形貌（表面织构化表面接枝聚合物刷）。但这些聚合物刷表面的耐磨性和承载能力仍不能满足实际应用的要求。

图3. 通过亚表面接枝技术构筑剪切稳定的亲水聚合物刷表面

为解决聚合物刷剪切稳定性和承载能力的问题，周峰团队提出了一种稳固聚合物刷表面材料的新方法-聚合物刷亚表面接枝技术。与传统的表面引发聚合方法相比，亚表面接枝技术最大的不同在于引发剂存在于亚表面层（甚至整个基体材料）中，而不是只存在于表面上。因此，聚合物刷能够在基材表面以下一定深度引发聚合，实现接枝修饰。通过这种方法，将亲水聚合物刷可以接枝到高分子材料、水凝胶或者无机溶胶层中，使表面在具备水润滑性能，同时具有优异的耐磨性能。

图4. 通过亚表面接枝技术构筑剪切稳定的疏水聚合物刷表面

此外，疏水聚合物刷链段同样可以接枝到基材的亚表面。例如将硅烷化的聚合物刷接枝到无机溶胶层中、将 PDMS 链或者 PFPE 链包埋在聚氨酯或树脂中，利用疏水聚合物链段的在涂层表面的自发富集，使得涂层表面具备良好的润滑、抗污染能力。此外，无机层、聚氨酯或者树脂等涂层本体还可以保护聚合物刷链段免受磨损，大幅度提高聚合物刷的耐磨性。

总结/展望

本文总结了制备剪切稳定的聚合物刷表面的主要途径，即优化聚合物刷表面的结构和亚表面接枝聚合物刷技术，并简要介绍了剪切稳定聚合物刷表面的耐磨机理，此外，还讨论了疏水聚合物刷表面，特别是 PDMS 刷表面的抗剪切策略。尽管到目前为止，对于如何制备剪切稳定的聚合物刷表面材料取得了较为广泛的进展，但在众多应用场景下仍有许多挑战需要解决。例如，对于亲水聚合物刷表面，应进一步考虑该类型表面在生理环境下的承载能力、生物安全性和可降解性；对于疏水聚合物刷，开发一种方便、快速、低成本的工艺方法，对于大规模工程应用至关重要；此外，剪切稳定聚合物刷表面的多功能性、自适应性和自修复功能也应进一步加以考虑。

相关论文发表在 Langmuir 上，中国科学院兰州化学物理研究所博士研究生刘一喆为文章的第一作者，吴杨研究员和周峰研究员为通讯作者。

通讯作者信息

周峰，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，国家杰青基金获得者，固体润滑国家重点实验室主任。研究方向包括生物摩擦学、软物质表界面材料、高性能润滑添加剂、功能涂层材料。

orcid.org/ 0000-0001-7136-9233

吴杨，中国科学院兰州化学物理研究所研究员。2015年获中国科学院研究生院博士学位。目前主要研究方向为软质材料的界面摩擦控制、水润滑等（基础研究)和低表面能功能涂层(应用技术)的研发。

orcid.org/0000-0002-4953-1801

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！