制备超疏水涂层的全新策略

WaterOff

2022-08-08 08:36:14

第一作者：张立身

通讯作者：于化忠

第一单位：Simon Fraser University

研究亮点：

1. 通过巧妙的控制反应合成了多级纳米微米粗糙结构。

2. 可以在多种不同的材料上达到超疏水效果。水接触角170度左右，滑动角低于1度，具有良好的自洁净作用，。

3. 涂层具有非常独特的包裹能力，可以在其他纳米材料领域进行应用。

研究背景

超疏水涂层在多个领域有着很广泛的应用，例如，户外穿戴，建筑材料，汽车制造。迄今为止，超疏水涂层制备方法主要依赖于在已存在的在粗糙表面（例如蜡烛灰、碳纳米管，纳米二氧化硅/二氧化钛颗粒等）增加疏水涂层（主要为氟硅烷）或者在疏水材料表面（PDMS，塑料，Teflon等）用刻蚀、塑形等方法增加表面粗糙程度。之前的研究表明，超疏水涂层的制备关键在于合适粗糙的表面微观结构。因此，如何合成适合的的粗糙结构非常重要。

成果简介

加拿大Simon Fraser University于化忠教授课题组报道了一种具有多级纳米微米粗糙结构的超疏水涂层。

要点1：多级粗糙微纳米结构微粒制备

十八烷基三氯硅烷常被用于色谱柱的修饰。由于可以与水发生反应从而导致变质，因此该试剂在使用过程中要尽量避免与水接触。本文非常巧妙的通过精确控制水与十八烷基三氯硅烷的比例，从而一步合成具有较小的表面张力的多级粗糙微纳米结构微粒。所合成的大、小两种尺度的纳米/微米结构与荷叶表面的微观结构极其相似，实验实测数据与理论数学公式计算结果非常吻合。

图1. 涂层疏水效果以及表面微观结构展示。

通过对反应不同阶段的反应物进行SEM电镜扫描，可以表明，当水加入十八烷基三氯硅烷后，反应先形成纳米尺度的小球。小球继而连接成纳米长链。而纳米长链相互之间纠缠在一起最终形成了微米尺度的、具有多级粗糙结构的大颗粒。

图2. 微观结构的形成过程。

要点2：涂层应用

并且该涂层可以应用于多种不同材质上，且均可达到超疏水效果。

制备超疏水涂层的全新策略4.jpg

图3. 不同材质的超疏水效果展示。

该涂层具有良好的机械强度，可经受住沙粒摩擦，水冲击，砂纸研磨。并且具有独特的包裹特性。由于反应简单快捷，可以量产，并进行大规模应用。

图4. 涂层多种性能以及多功能属性展示。

小结

本研究解决了超疏水制备的一个难点，为制备超疏水涂层提供了一种全新的粗糙结构，且具有实际应用价值。

参考文献

张立身，于化忠；Functional and versatile superhydrophobic coatings via stoichiometric silanization；Nature Communications、12 February 2021、12、928；

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21219-y

作者简介

于化忠，加拿大Simon Fraser大学教授。1991年毕业于山东大学，1997年在北京大学获得理学博士学位；之后在加州理工学和加拿大科学院完成博士后研究工作。研究方向为材料化学和分析化学，发表高质量研究论文超过150篇（包括Nat. Commun.；Acc. Chem. Res.；J. Am. Chem. Soc.；Angew. Chem. Int. Ed.）；发明专利15项。现任Analyst（RSC）副主编，太原理工大学特聘兼职教授。

张立身，现任加拿大Queens大学博士后研究员。2013年毕业于山西大学化学系，2020年在Simon Fraser大学取得博士学位。主要从事超疏水涂层，微流控分析以及基于手机的分析检测等领域。在Nature Communications，ACS Applied Materials and Interfaces等期刊发表多篇论文。