东南大学佘伟教授Chemical Engineering Journal：一种超疏水砂浆，具有超强的自洁性、防冰性和防腐蚀性
引用格式：
Peng Zhou, ZhengYu Zhu,Wei She,A superhydrophobic mortar with ultra-robustness for self-cleaning,anti-icing,and anti-corrosion,Chemical Engineering Journal,2024.
超疏水水泥基材料是缓解混凝土结构因水渗透引起的性能恶化的有希望的候选者。然而，超疏水表面的力学性能较弱，并且由于体改性导致抗压强度严重降低，这对超疏水水泥基材料的应用提出了重大挑战。本文通过表面微纳粗糙度和基体硅烷改性，采用简单经济的方法制备了超疏水砂浆（s -砂浆），并引入纳米二氧化硅来弥补其强度损失。所获得的s -砂浆具有优异的表面机械耐久性和化学稳定性，在砂纸摩擦、刀划痕和极端温度下暴露后，其超疏水性没有明显下降，即使是经过切割暴露的新表面和通过研磨获得的粉末也具有优异的拒水性。此外，超疏水性使s -砂浆具有自洁、防污、防冰、防冻和防腐性能。该方法实现了超疏水性能与力学性能之间的平衡，拓宽了超疏水水泥基材料的应用前景。
图1. s型砂浆的制备工艺、表面形貌、化学成分及超疏水性。(A) s型砂浆的制备工艺。（B-E）s型砂浆在不同放大倍数下的扫描电镜图像。(F)对照砂浆和s型砂浆FTIR光谱图。(G)对照砂浆和s 型砂浆的c1 s高分辨率XPS光谱。(H) s型砂浆表面水滴弹跳过程捕获图像。
图2. 两种添加剂对s型砂浆接触角(A)和抗压强度(B)的影响与剂量的关系。
图3. s型砂浆表面保持清洁的能力。(A)与对照砂浆相比，s型砂浆表面纳米二氧化硅微滴去除过程。(B)与对照砂浆相比，s型砂浆表面磨碎粘土的液滴去除过程。(C)s型砂浆在泥水混合物中浸泡前、浸泡期间和浸泡后的图片。(D) s型砂浆自洁防污机理示意图。
图4. 超疏水性的稳健性。(A) s型砂浆与c型砂浆相比的砂纸磨损和刀刮伤。(B) 6.13 kPa压力下砂纸（400 #）磨损试验中CA和SA随磨损距离的变化。(C) s型砂浆切割后内外表面水滴的静态照片。(D)s 型砂浆研磨后粉末上水滴的静态照片。(E)s型砂浆表面不同液体（酸性溶液、碱性溶液、牛奶、咖啡）的静态照片。(F)不同温度(200℃和- 197℃)下接触角随时间的变化。(G)s型砂浆经沸水处理后接触角的变化。(H)s型砂浆在酸性溶液（pH值为2）和碱性溶液（pH值为13）浸泡后接触角的变化。(i)紫外光老化后s型砂浆接触角的变化。
图5. s型砂浆的抗水、防冻、防冰性能。(A)砂浆单位面积吸水率随时间的变化。(B)砂浆质量损失随冻融循环次数的变化。(C)砂浆表面冰的除冰力及除冰后砂浆表面照片。(D)冻结环境下砂浆表面冷雨示意图。(E)砂浆表面冰堆积质量随时间的变化。(F)冷却条件下对照砂浆和s型砂浆表面水的温度-时间曲线。
图6. s型砂浆的防腐性能。(A)砂浆涂覆钢筋在盐溶液(3.5 wt% NaCl)中的Nyquist图。(B)砂浆涂层钢筋在盐溶液中的动电位极化曲线。(C)电化学腐蚀装置示意图(施加26V直流电压)。(D)盐溶液中1小时的电化学腐蚀过程。(E)从腐蚀砂浆中取出的钢筋图片。
总结与展望
综上所述，作者提出了一种简便高效的方法来制备兼具自清洁、防冻及防腐特性的超强超疏水砂浆（即s型砂浆）。该砂浆的独特性能源于其微纳米结构的共存——包括微突结构和针状棒钙矾石，以及NOTEO低表面能基团的存在。这些特性共同赋予了s型砂浆卓越的超疏水性，具体表现为接触角（CA）高达156±0.8°，滑动角（SA）仅为7±0.6°。为了弥补NOTEO添加可能导致的强度降低，作者引入了NS作为补偿措施。实验结果显示，所制备的s-砂浆不仅能借助水滴轻松清除表面的纳米污染颗粒和粘土，还能有效抵御泥水混合物的污染。尤为值得一提的是，s型砂浆在经历400#砂纸在6.13 kPa压力下7.2米的磨损测试，以及在200°C和-196°C环境下各储存12小时后，仍展现出出色的表面鲁棒性和超疏水性。甚至在其切口内部以及破碎后得到的粉末中，都保持了超疏水性能。此外，s型砂浆对酸、碱、咖啡和牛奶等液体也表现出优异的驱避性。s型砂浆的超疏水性不仅使其具备了抗冷雨和冻融破坏的能力，还使得在冰冻环境中除冰变得更为容易，同时有效防止了腐蚀性液体与钢筋内部的接触，从而提升了钢筋的防腐性能。因此，我们有理由相信，该研究的巧妙设计将为寒冷地区的道路建设以及沿海地区的桥梁建设提供全新的思路和启示。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153488
相应的成果以“A superhydrophobic mortar with ultra-robustness for self-cleaning,anti-icing, and anti-corrosion”为题发表在Chemical Engineering Journal上，通讯作者为佘伟教授。
来源：超疏水防冰表面研究站
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