智能Janus升级建筑涂料性能 为什么让立邦和清华如此重视？

慧正资讯，立邦与清华大学通过产学研方式，对水性建筑涂料用功能Janus颗粒的研究，共同开发综合性能、环保效果更佳的新型水性建筑涂料。研究成果将应用于立邦中国的产品线，在降低内墙乳胶漆中碳排放的同时，提升涂料的耐污渍性能和耐久性等功能，助推建筑行业的可持续发展。

根据慧正资讯的了解，立邦与清华大学的将聚焦提升水性建筑涂料在碳排放指标、耐刮伤性能、防污性能等方面的表现，利用Janus颗粒的有序结构，令涂层中的功能性物质实现自分层，并改善涂料的分散性、稳定性和表面性能，提高涂层的耐污性、抗刮擦性能，减少碳排放；通过改进合成方法，实现对Janus颗粒尺寸、形状和表面性质的精确控制，以此提高其在特定应用中的性能和稳定性。

清华大学化学工程系梁福鑫教授

清华大学化学工程系高分子研究所长期从事Janus材料研究，梁福鑫教授将担任合作项目首席科学家，立邦中国则提供技术支持和实验平台，确保研究成果能转化为实际应用。

Janus（杰纳斯）的涂料应用

Janus（杰纳斯）颗粒是一种具有不对称结构的微小颗粒，其名称来源于罗马神话中的“两面神”Janus，也符合其一侧亲水、一侧疏水的“双面”属性。

英美科学家对Janus对涂层亲疏水的研究

早在20世纪80年代，研究人员已开始对Janus颗粒表面化学性质的探索；如今，对Janus颗粒的研究扩展到材料科学、化学工程等多个领域。进入21世纪，英国和美国的研究者开始尝试将Janus添加入涂料配方中，结果发现，Janus颗粒形成了一个完整连续的表面，其中亲水一面粘在表面，疏水一面朝外对着空气。研究者还发现，即使作为底漆应用，Janus粒子的疏水性也会转移到涂层表面上。

随后Janus颗粒在涂料中的应用被开发出来，Janus颗粒已经被作为仿荷叶乳突结构的固体颗粒应用在超疏水涂料配方的设计中。Janus颗粒可以在基材表面产生优先定位取向，提供了一步法制备疏水涂层的可能。呈草莓状半球形Janus颗粒具有亲水/疏水双重特性，其半球曲面为纳米级疏水面，底平面为接入具有室温条件下催化环氧树脂进行固化效果的活性咪唑啉亲水基团的亲水面。其超疏水涂层制备机理如图3所示，首先将草莓状Janus颗粒的水分散体喷洒到已涂有薄层环氧树脂的基底表面；随着水分的不断蒸发，Janus颗粒会自我定向以颗粒底平面在基材表面自组形成颗粒层；最终成型时纳米级的粗糙疏水侧指向空气，并且接入咪唑啉基团的亲水侧通过阳离子引发环氧树脂交联形成共价结合，使其嵌入到固化的环氧树脂中提高了与基材的结合强度。结果表明：所制备的超疏水涂层与水滴的接触角大于155°，滚动角小于2°，涂层具有较好的耐有机溶剂性和耐高速水冲洗性；若将Janus颗粒疏水侧修饰得较为光滑，则涂层与水具有高度粘合性。

让Janus更加智能

目前，Janus颗粒的合成多在实验室规模进行，如何实现大规模生产和工业化应用是一大研究重点。立邦和清华大学将积极探索更高效的合成与生产路径，从而降低成本、提高产量；未来还有望共同开发具有智能响应能力的Janus颗粒，使其能够在外界刺激（如温度、pH值、光等）下改变性质或功能，在智能材料领域发挥更大的作用。双方亦期望通过对Janus颗粒的深入研究，带动建筑材料的创新研发和应用，提升建筑的能源效率，创造更加智能、高效和可持续的人居环境。

2024年，梁福鑫课题组在Janus颗粒调控高分子复合材料分层结构方面取得进展。梁福鑫课题组提出以软－硬分区Janus纳米颗粒诱导不同组成自分层，构筑同时具有力学可拉伸层和柔性三维导电网络层的分层结构薄膜（图1），该薄膜具有大形变、高灵敏度和优异的力学性能。首先设计合成了纳米尺度软－硬分区Janus颗粒，一侧为“软”的橡胶相，另一侧为“硬”的氧化硅相（图2a）。在力学可拉伸层中，由于Janus颗粒的橡胶一侧与橡胶基体组成相同，能够在高添加含量（40 wt%）下非常均匀地分布在橡胶基体中，将薄膜的强度和断裂韧性提高数倍（图2b-e）。在柔性三维导电网络层，Janus颗粒诱导石墨烯卷曲并彼此连接形成导电网络层，且Janus颗粒的刚性端和柔性端分别具有硬支撑和软粘结的作用，使网络具有特殊的多级形变结构，在大拉伸应变下通过自适应重构保持良好的导电性（最大拉伸比370 %）。同时，柔性三维网络的多级结构重构，使传感材料具备极高的灵敏度（GF值高达971.7）（如图2f-k）。

Janus颗粒在多级分层结构设计中发挥了独特作用：

Janus颗粒在基体中自分散实现刚性组成均匀稳定分布且界面结合牢固，同时提高了薄膜的强度和断裂韧性；

Janus颗粒使低表面能的石墨烯填料很好地分散在水溶液中，避免了使用小分子表面活性导致的时效稳定性差问题，并在成膜后增强石墨烯与橡胶相，以及两层间的界面；

Janus颗粒使二维结构石墨烯卷曲并彼此连接，形成在应变下能够自适应重构的多级折叠结构，提高了大形变下导电网络的稳定性；

Janus颗粒与石墨烯形成的聚集体与橡胶基体分层，提高了石墨烯导电填料的局部含量，大幅降低填料导电阈值。

相关研究成果以“基于软－硬复合Janus纳米颗粒的大形变、高灵敏度和优异力学性能多级导电复合材料”（Soft-hard Janus nanoparticles triggered hierarchical conductors with large stretchability, high sensitivity, and superior mechanical properties）为题发表在材料领域顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202312278

目前，Janus纳米颗粒在国内的人工心肺机的体外膜肺氧合（ECMO）系统中已经得到应用，清华大学和北京交通大学的研究团队通过在商业聚丙烯（PP）膜接枝多效能Janus纳米粒子，成功开发出一种新型PP基氧合膜，将PP膜使用寿命提升了6~8倍，达到了商品聚-4-甲基-1-戊烯（PMP）膜水平，其气体通量远超PMP膜，为打破PMP的市场垄断提供新思路。