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鴨子從河中上岸之后，發(fā)現(xiàn)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(fēng)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?shù)念I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

依據(jù)大自然的“仿生學(xué)”的原理，湖南大學(xué)潘帥軍博士用氰基丙烯酸酯膠(粘結(jié)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(fù)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(zhuǎn)角(<5°)，對液體滲透的阻力可調(diào)。此外，涂層還具備有效的物質(zhì)裝載和強大的自清潔性能。

相關(guān)工作以“Exploiting Molecular Dynamics in Composite Coatings to Design Robust Super-Repellent Surfaces”發(fā)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(tǒng)，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(jié)合親和力。

POSS作為前驅(qū)體，具有低能量還可作為成核劑，形成了層次粗糙的多孔結(jié)構(gòu)，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(xué)模擬結(jié)果表明，盡管粘結(jié)劑和POSS可以相互結(jié)合，并在分散相互作用的驅(qū)動下形成連續(xù)的納米多孔框架。納米孔有助于保持表面的空氣，以實現(xiàn)更好的排斥力(即更高的接觸角)，并產(chǎn)生更高的毛細(xì)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(xué)研究

 # POSS-粘合劑涂層的理化性質(zhì)

和超排斥性

經(jīng)POSS-粘合劑復(fù)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(fù)合材料的表面能。隨著POSS含量的增加，復(fù)合材料的總表面能減小，當(dāng)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(jié)劑的表面或復(fù)合材料的表面，表明了它們在高溫下的潛在應(yīng)用。總之，粘結(jié)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(fù)合涂層(20% POSS)及其界面性能

我們噴涂POSS粘結(jié)劑復(fù)合材料可以在金屬絲表面形成均勻的分層結(jié)構(gòu)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(xù)撞擊而不發(fā)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(jié)劑涂料

 # POSS-粘合劑涂層穩(wěn)定性

和魯棒性

超排斥表面的穩(wěn)定性和魯棒性是導(dǎo)致實際應(yīng)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(tài)穩(wěn)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(wǎng)格襯底的纖維間距進行調(diào)節(jié)，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(wěn)定性，復(fù)合涂層在高達150°C的高溫下也很穩(wěn)定。此外，經(jīng)10種化學(xué)試劑、UV-O3、剝落測試等處理后也沒有發(fā)生明顯的化學(xué)浸出，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。而且，在熒光溶液中孵育10 min后，超驅(qū)避涂層也沒有出現(xiàn)明顯的染色，進一步證實了超驅(qū)避涂層的魯棒性。

圖4 超排斥涂料的穩(wěn)定性

 # 貨物裝載應(yīng)用

該團隊進一步研究了在靜態(tài)或運動過程中施加外力時，涂層網(wǎng)格基板的超排斥性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超級防噴涂層具有保護在惡劣條件下執(zhí)行任務(wù)的海洋車輛的潛力，如石油泄漏航道，或泰坦上的碳?xì)浠衔锖目碧健４送猓撏繉拥某懦庑浴⒀b載量和在液體表面的滑動運動使其具有良好的減阻應(yīng)用前景。

圖5 超排斥涂層的貨物裝載應(yīng)用-在液體表面上的漂浮、裝載和運動

小結(jié)

總之，該團隊開發(fā)了一種應(yīng)用通用粘合劑和低能量前驅(qū)體的工程防噴涂料和表面涂層途徑，這種雙組分涂層系統(tǒng)結(jié)合了兩種前驅(qū)體的有益特性，是在不同基底(如不銹鋼、銅、硅和云母)上實現(xiàn)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(xué)屏蔽、傳熱和液體處理提供了希望，而且通過有效地結(jié)合各組分的優(yōu)異性能，為工程先進涂層提供了一種簡單而可靠的途徑。