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鴨子從河中上岸之后，發現它的羽毛卻沒有任何沾水的痕跡，難道鴨子的羽毛天生就有防水的功能嗎？

在夏天的雨后會看到荷葉上面會有一排一排的小水滴，一陣風吹過后，水滴會在荷葉上搖搖欲墜，來回的晃動。這些水為什么無法將整片荷葉徹底打濕呢？

這就是超排斥表面的神奇之處！超級排斥表面是一類具有不濕潤/不污染特性的表面，它在需要減少阻力、低污染、增強貨物裝載和/或控制液體運輸的領域有廣泛的應用。

依據大自然的“仿生學”的原理，湖南大學潘帥軍博士用氰基丙烯酸酯膠(粘結劑)將氟化的多面體倍半硅氧烷(POSS)粘合生成了超排斥涂層(接觸角>150°)——復合POSS-粘合劑涂層，它顯示出超低的表面能(≈10 mJ m?2)，同時與基底仍有較大的表面粘附(300-400 nN)涂料在線coatingol.com。涂層對腐蝕性液體和超低表面張力液體都顯示出超排斥性，具有超低滾轉角(<5°)，對液體滲透的阻力可調。此外，涂層還具備有效的物質裝載和強大的自清潔性能。

相關工作以“Exploiting Molecular Dynamics in Composite Coatings to Design Robust Super-Repellent Surfaces”發表在《Advanced Science》。

 # POSS-粘合劑涂層的制備

該團隊使用了一種包含可聚合粘合劑(氰基丙烯酸乙酯，ECA)的雙組份涂層系統，該粘合劑通過極性或非極性相互作用與不同底物具有較高的結合親和力。

POSS作為前驅體，具有低能量還可作為成核劑，形成了層次粗糙的多孔結構，有助于保持涂層表面的空氣層，從而有助于超排斥性。分子動力學模擬結果表明，盡管粘結劑和POSS可以相互結合，并在分散相互作用的驅動下形成連續的納米多孔框架。納米孔有助于保持表面的空氣，以實現更好的排斥力(即更高的接觸角)，并產生更高的毛細管壓力(即防濕或抵抗局部突破)。

圖1 POSS-粘合劑體系的分子動力學研究

 # POSS-粘合劑涂層的理化性質

和超排斥性

經POSS-粘合劑復合材料涂層后，光滑的云母基板(≈0.1 nm)的粗糙度顯著增加為原來的約1000倍，這種相分離的有助于形成排斥表面(即粗糙表面處的空氣捕獲)。基于最小自由表面能量原理，少量的低能改性可以顯著降低整個復合材料的表面能。隨著POSS含量的增加，復合材料的總表面能減小，當POSS含量為>10 wt%時，其最小表面能約為10 mJ m?2。

此外，200℃退火處理也沒有改變粘結劑的表面或復合材料的表面，表明了它們在高溫下的潛在應用。總之，粘結劑的粘接性能和POSS的低能性能共同決定了該涂料的超排斥特性。

圖2 平面復合涂層(20% POSS)及其界面性能

我們噴涂POSS粘結劑復合材料可以在金屬絲表面形成均勻的分層結構的涂層，不會阻塞纖維間的間距，從而允許孔隙減少固液接觸。涂層表面能夠抵抗在距離表面約7 mm處釋放的乙醇液滴的連續撞擊而不發生液體滲透(或潤濕)，表明其對超低表面張力液體（乙醇）也具有超排斥性。此外，超低接觸角滯后性和滾落角共同證明了在垂直和橫向上的超低固液相互作用。

圖3 噴涂超排斥POSS-粘結劑涂料

 # POSS-粘合劑涂層穩定性

和魯棒性

超排斥表面的穩定性和魯棒性是導致實際應用的一個重要因素。突破壓力(Pb，即從非濕潤到濕潤的最小液壓壓力)是非潤濕狀態穩健性的一種度量，涂層的Pb很大程度上取決于探針液的表面張力，即Pb在水中最大(≈1000 Pa)，在純乙醇中最低(≈90 Pa)，Pb還可以通過網格襯底的纖維間距進行調節，間距越小，Pb越大。

超排斥涂料還可以抵抗腐蝕性液體，包括濃酸和濃堿。此外，POSS具有出色的熱穩定性，復合涂層在高達150°C的高溫下也很穩定。此外，經10種化學試劑、UV-O3、剝落測試等處理后也沒有發生明顯的化學浸出，具有優異的化學穩定性和機械穩定性。而且，在熒光溶液中孵育10 min后，超驅避涂層也沒有出現明顯的染色，進一步證實了超驅避涂層的魯棒性。

圖4 超排斥涂料的穩定性

 # 貨物裝載應用

該團隊進一步研究了在靜態或運動過程中施加外力時，涂層網格基板的超排斥性。結果發現，超級防噴涂層具有保護在惡劣條件下執行任務的海洋車輛的潛力，如石油泄漏航道，或泰坦上的碳氫化合物湖的勘探。此外，該涂層的超排斥性、裝載量和在液體表面的滑動運動使其具有良好的減阻應用前景。

圖5 超排斥涂層的貨物裝載應用-在液體表面上的漂浮、裝載和運動

小結

總之，該團隊開發了一種應用通用粘合劑和低能量前驅體的工程防噴涂料和表面涂層途徑，這種雙組分涂層系統結合了兩種前驅體的有益特性，是在不同基底(如不銹鋼、銅、硅和云母)上實現持久的超排斥性的一種有前途的方法。這項工作不僅為化學屏蔽、傳熱和液體處理提供了希望，而且通過有效地結合各組分的優異性能，為工程先進涂層提供了一種簡單而可靠的途徑。