超疏水现象在自然界中广泛存在，荷叶、蝴蝶翅膀以及一些甲虫的外壳，都呈现超疏水状态。随着对超疏水现象内在机理研究的不断深入，人们发现材料表面的化学性质和微观结构是构成超疏水状态的两个关键因素。由于超疏水现象可以用于自清洁、抗污、防结冰、油水分离等诸多领域，科学家一直在开发各种类型的超疏水材料和涂层。基于有机/无机（纳米颗粒）掺杂、引入润滑层、构筑微/纳复合精细结构表面等诸多方法都已广泛应用于超疏水材料和涂层的制备，其中不少或耐磨性能出色，或化学稳定性优秀，或与基材粘附性较好，或使用寿命长。不过，同时兼具以上优点的超疏水涂层却很少，此外，也少有超疏水涂层能够耐受高速液体冲刷。

构筑高性能超疏水涂层常用的策略有三种：基于仿生策略赋予涂层自修复性、构筑表层与内部结构和性能一致的均相涂层、构筑柔性涂层。近日，英国伦敦大学学院（UCL）的Manish K. Tiwari课题组综合利用上述策略的后两种，构筑了一种柔性的全有机纳米复合物超疏水涂层，其中包含氟化环氧树脂、全氟聚醚和含氟聚合物纳米颗粒。该涂层展现出优异的机械稳定性，能够耐受苛刻的腐蚀环境（例如王水和氢氧化钠溶液），并且能够有效耐受高速液滴和液流的冲击而不被破坏和穿透。同时，这种涂层可通过喷涂、涂刷等常规方法施用在待处理的表面，操作容易。相关论文发表于Nature Materials 并被选为封面文章，第一作者为Chaoyi Peng。

当期封面。图片来源：Nat. Mater.

涂层组分的选择和组合花费了研究者不少功夫。环氧树脂的机械和化学稳定性上佳，通过亲水官能团还能分散纳米颗粒，并且具有强大的基材粘附力；全氟聚醚有助于调整涂层的表面能和柔性；含氟聚合物纳米颗粒能够提供结构控制并降低表面能。不过普通的环氧树脂未改性前表面水接触角（WCA）约43°（下图a），这种疏水性显然无法满足需要。研究者使用“多步氟化（multi-fluorination）”策略来制备高性能超疏水涂层。首先，他们使用含氟聚合物对环氧树脂进行接枝改性得到氟化环氧树脂（记为FE），以增强其疏水性，WCA增加到约80°（下图b）。他们在氟化环氧树脂中混入全氟聚醚（Krytox oil），赋予树脂（记为KFE）优异的柔性，同时进一步增加疏水性，WCA增加到约93°（下图c）。而后，通过加入含氟聚合物（聚四氟乙烯，PTFE）纳米颗粒，所得超疏水纳米复合物涂层（记为PKFE）的WCA提升至约158°（下图d）。研究者基于傅里叶变换红外光谱对多步氟化策略的各个过程所得产品进行了相应的表征（下图e），结果证明了二氟甲基和三氟甲基的存在，并且每一步的氟化过程都很成功。

超疏水涂层构筑过程示意图。图片来源：Nat. Mater.

这种纳米复合物涂层除了具有很好的疏水性，还展现出优异的机械稳定性。经过30次高粘性胶带剥离测试后（下图a），涂层表面未产生明显损失，WCA（θA）仍大于155°，接触角滞后仍小于5°。涂层在不同载荷条件下进行100次循环Taber磨损测试（下图d），涂层厚度未呈现明显降低，涂层表面仍呈现优异的疏水性（150 g负荷下，θA约为155°；200 g符合下，θA约为151°；250 g负荷下，θA约为146°）。两种测试下，涂层形貌都没有发生明显变化，并且涂层完整性也得以保持，水滴冲击都可被完全弹离。

超疏水涂层机械稳定性测试。图片来源：Nat. Mater.

研究者进一步对超疏水涂层的化学稳定性进行测试。采用王水（60 min）以及NaOH溶液（1M，12h）浸渍后，涂层仍保持完整表面形貌和超疏水特性。

超疏水涂层化学稳定性测试。图片来源：Nat. Mater.

此外，这种超疏水涂层能够耐受高速液滴和液流的冲击而不被破坏和穿透。在速度高达35 m•s-1水流喷射测试（韦伯数?43000）中，涂层表面结构并没有观察到有明显损失，相比于以往的超疏水涂层其防液体冲刷性能提高了差不多1个数量级。此外，这种涂层的柔性也使其可以施用于柔性材料表面，进一步扩大了它的应用范围。

超疏水涂层耐受高速液滴和液流的冲击。图片来源：Nat. Mater.

——总结——

Manish K. Tiwari博士团队基于氟化树脂体系合理设计涂层组成，同时赋予超疏水涂层优异机械稳定性、化学稳定性和一定的柔性，还能够耐受高速液滴和液流的冲击而不被破坏和穿透。这种纯有机纳米复合物超疏水涂层展现出前所未有的优异综合性能，并且应用工艺十分简便，无疑将极大的拓展超疏水涂层的应用空间。

本文转载X-MOL如有侵权联系删除