人造超疏水涂層具有良好的機(jī)械堅(jiān)固性，基材附著力和化學(xué)穩(wěn)健性已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)。然而，同時(shí)演示這些特征以及通過高速跌落/噴射撞擊抵抗液體刺穿是具有挑戰(zhàn)性的。例如，包括無機(jī)納米粒子或結(jié)構(gòu)單元的涂層提供了機(jī)械堅(jiān)固性；然而，它們是化學(xué)敏感的，特別是強(qiáng)酸和強(qiáng)堿。同樣，有機(jī)涂料具有良好的耐化學(xué)性，但機(jī)械性能差。此外，同樣重要的是，通過高速下落/噴射沖擊對(duì)液體刺入表面組織的抗性不足是另一個(gè)重要問題，限制了超疏水涂層的實(shí)際應(yīng)用。

    近日，倫敦大學(xué)學(xué)院Manish K. Tiwari（通訊作者）課題組在Nature Materials上發(fā)表了題為“All-organic superhydrophobic coatings with mechanochemical robustness and liquid impalement resistance” 的文章。研究團(tuán)隊(duì)描述了所有有機(jī)，柔韌的超疏水納米復(fù)合涂料在循環(huán)膠帶剝離和Taber磨損下表現(xiàn)出強(qiáng)大的機(jī)械穩(wěn)定性，可持續(xù)暴露于高腐蝕性介質(zhì)，即王水和氫氧化鈉溶液中，并可通過可擴(kuò)展技術(shù)應(yīng)用于表面作為噴涂和刷涂。此外，涂層的機(jī)械靈活性使得對(duì)高速液滴和湍流噴嘴的抗刺激性至少達(dá)到？35 m s-1，韋伯?dāng)?shù)達(dá)到？43,000。這些涂料具有多方面的堅(jiān)固性和可擴(kuò)展性，應(yīng)該在惡劣的化學(xué)工程以及基礎(chǔ)設(shè)施，運(yùn)輸車輛和通信設(shè)備中找到潛在的用途。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 全有機(jī)納米復(fù)合涂層的多氟化策略的圖解

    （a）氟化前的環(huán)氧樹脂，水接觸角（WCA）約43°；（b）含氟聚合物接枝的環(huán)氧樹脂（表示為FE樹脂）， WCA增加到？80°；（c）將全氟聚醚混入FE樹脂（表示為KFE樹脂），WCA進(jìn)一步增加至？93°； （d）摻入PTFE顆粒以獲得具有？158°的WCA的納米復(fù)合涂層（表示為PKFE涂層）；（e） 純環(huán)氧樹脂，F(xiàn)E樹脂，KFE樹脂和PKFE涂層的傅立葉變換紅外光譜圖？550-650cm-1和？1,150-1,250cm-1處的峰證實(shí)了-CF2和-CF3官能團(tuán)的存在以及每一步的成功氟化；

    圖2 防水PKFE涂層的機(jī)械堅(jiān)固性

    （a）使用高粘性膠帶進(jìn)行膠帶剝離測(cè)試的示意圖。通過滾動(dòng)4kg鋼輥兩次均勻地施加膠帶；（b）在30個(gè)循環(huán)后（θA保持在155°以上和Δθ低于5°），PKFE涂層超疏水性的防水性的影響保持不變；（c）使用泰伯磨損測(cè)試儀進(jìn)行的機(jī)械磨損測(cè)試的示意圖，包括裝載的研磨輪摩擦安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的涂覆的樣品；（d）三種不同磨損載荷下Taber磨損循環(huán)下θA的變化和涂層厚度的減小；（e）掃描電子顯微照片，顯示以氟化環(huán)氧樹脂涂覆的PTFE納米粒子為特征的PKFE納米復(fù)合材料涂層形態(tài)； （f）掃描電子顯微照片，顯示30次膠帶剝離循環(huán)后PKFE涂層的形態(tài)；強(qiáng)烈的膠帶剝離導(dǎo)致涂層形態(tài)沒有可觀察到的損傷；（g）（250g負(fù)荷）100次磨損循環(huán)后PKFE涂層的形態(tài)；觀察到塑性變形點(diǎn)（由箭頭表示）；（h）確認(rèn)涂層完整性；完全彈跳顯示，對(duì)于新鮮的PKFE納米復(fù)合材料涂層（1），在經(jīng)歷30次帶剝離周期（2）的涂層上，在約0.22ms-1的沖擊下，在200g負(fù)荷（3）和高速噴射沖擊試驗(yàn)后的涂層（4）；

    圖3  防水PKFE涂層的耐化學(xué)性

    （a）王水腐蝕時(shí)間對(duì)PKFE納米復(fù)合材料的拒水性的影響；（b）NaOH溶液（1M）腐蝕的影響，12小時(shí)后保持超疏水性；（c）在王水腐蝕中60分鐘后PKFE涂層表面的形態(tài)；（c）在1M NaOH溶液中12小時(shí)后PKFE涂層表面的形態(tài)；

    圖4 高速水滴和噴射沖擊后的超疏水PKFE涂層的穩(wěn)健性

    （a）水滴（速度？6m s-1）在與涂層碰撞后霧化，沒有任何刺入紋理的跡象；（b）高速水射流沖擊涂層，平均速度約21 m s-1，Wel約15,000；測(cè)試表面的最高速度為？35 m s-1（Wel?43,000）。 在下落滾落角和恢復(fù)系數(shù)測(cè)量中測(cè)試時(shí)涂層沒有顯示出刺穿跡象；（c，b）受水射流影響的PKFE表面斑點(diǎn)上的水滴；（d）水噴射沖擊的PKFE表面的形態(tài)的掃描電子顯微照片，顯示未損壞的粗糙結(jié)構(gòu)；

    該研究團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)強(qiáng)大的全有機(jī)納米復(fù)合涂料，可在各種苛刻的機(jī)械和化學(xué)環(huán)境下保持拒水性，其中包括令人印象深刻的特性，例如在？2.5 mm直徑的水射流沖擊？ 35 ms-1（即126 km h-1），并持續(xù)暴露于王水腐蝕。涂層的堅(jiān)固性來自于它們的柔韌性以及在受到機(jī)械磨損時(shí)通過逐層材料去除保留超疏水性的能力。這種柔韌性能夠在液滴和射流沖擊過程中緩沖壓力峰值，從而有助于實(shí)現(xiàn)出色的抗液體侵蝕性能，此外，合理選擇所有有機(jī)組分可實(shí)現(xiàn)良好的化學(xué)穩(wěn)定性。全有機(jī)PKFE納米復(fù)合涂料（主要使用現(xiàn)成成分制備）的穩(wěn)健性將擴(kuò)大超疏水涂料的應(yīng)用范圍。