超疏水現象在自然界中廣泛存在，荷葉、蝴蝶翅膀以及一些甲蟲的外殼，都呈現超疏水狀態。隨著對超疏水現象內在機理研究的不斷深入，人們發現材料表面的化學性質和微觀結構是構成超疏水狀態的兩個關鍵因素。由于超疏水現象可以用于自清潔、抗污、防結冰、油水分離等諸多領域，科學家一直在開發各種類型的超疏水材料和涂層。基于有機/無機（納米顆粒）摻雜、引入潤滑層、構筑微/納復合精細結構表面等諸多方法都已廣泛應用于超疏水材料和涂層的制備，其中不少或耐磨性能出色，或化學穩定性優秀，或與基材粘附性較好，或使用壽命長。不過，同時兼具以上優點的超疏水涂層卻很少，此外，也少有超疏水涂層能夠耐受高速液體沖刷。

構筑高性能超疏水涂層常用的策略有三種：基于仿生策略賦予涂層自修復性、構筑表層與內部結構和性能一致的均相涂層、構筑柔性涂層。近日，英國倫敦大學學院（UCL）的Manish K. Tiwari課題組綜合利用上述策略的后兩種，構筑了一種柔性的全有機納米復合物超疏水涂層，其中包含氟化環氧樹脂、全氟聚醚和含氟聚合物納米顆粒。該涂層展現出優異的機械穩定性，能夠耐受苛刻的腐蝕環境（例如王水和氫氧化鈉溶液），并且能夠有效耐受高速液滴和液流的沖擊而不被破壞和穿透。同時，這種涂層可通過噴涂、涂刷等常規方法施用在待處理的表面，操作容易。相關論文發表于Nature Materials 并被選為封面文章，第一作者為Chaoyi Peng。

當期封面。圖片來源：Nat. Mater.

涂層組分的選擇和組合花費了研究者不少功夫。環氧樹脂的機械和化學穩定性上佳，通過親水官能團還能分散納米顆粒，并且具有強大的基材粘附力；全氟聚醚有助于調整涂層的表面能和柔性；含氟聚合物納米顆粒能夠提供結構控制并降低表面能。不過普通的環氧樹脂未改性前表面水接觸角（WCA）約43°（下圖a），這種疏水性顯然無法滿足需要。研究者使用“多步氟化（multi-fluorination）”策略來制備高性能超疏水涂層。首先，他們使用含氟聚合物對環氧樹脂進行接枝改性得到氟化環氧樹脂（記為FE），以增強其疏水性，WCA增加到約80°（下圖b）。他們在氟化環氧樹脂中混入全氟聚醚（Krytox oil），賦予樹脂（記為KFE）優異的柔性，同時進一步增加疏水性，WCA增加到約93°（下圖c）。而后，通過加入含氟聚合物（聚四氟乙烯，PTFE）納米顆粒，所得超疏水納米復合物涂層（記為PKFE）的WCA提升至約158°（下圖d）。研究者基于傅里葉變換紅外光譜對多步氟化策略的各個過程所得產品進行了相應的表征（下圖e），結果證明了二氟甲基和三氟甲基的存在，并且每一步的氟化過程都很成功。

超疏水涂層構筑過程示意圖。圖片來源：Nat. Mater.

這種納米復合物涂層除了具有很好的疏水性，還展現出優異的機械穩定性。經過30次高粘性膠帶剝離測試后（下圖a），涂層表面未產生明顯損失，WCA（θA）仍大于155°，接觸角滯后仍小于5°。涂層在不同載荷條件下進行100次循環Taber磨損測試（下圖d），涂層厚度未呈現明顯降低，涂層表面仍呈現優異的疏水性（150 g負荷下，θA約為155°；200 g符合下，θA約為151°；250 g負荷下，θA約為146°）。兩種測試下，涂層形貌都沒有發生明顯變化，并且涂層完整性也得以保持，水滴沖擊都可被完全彈離。

超疏水涂層機械穩定性測試。圖片來源：Nat. Mater.

研究者進一步對超疏水涂層的化學穩定性進行測試。采用王水（60 min）以及NaOH溶液（1M，12h）浸漬后，涂層仍保持完整表面形貌和超疏水特性。

超疏水涂層化學穩定性測試。圖片來源：Nat. Mater.

此外，這種超疏水涂層能夠耐受高速液滴和液流的沖擊而不被破壞和穿透。在速度高達35 m•s-1水流噴射測試（韋伯數?43000）中，涂層表面結構并沒有觀察到有明顯損失，相比于以往的超疏水涂層其防液體沖刷性能提高了差不多1個數量級。此外，這種涂層的柔性也使其可以施用于柔性材料表面，進一步擴大了它的應用范圍。

超疏水涂層耐受高速液滴和液流的沖擊。圖片來源：Nat. Mater.

——總結——

Manish K. Tiwari博士團隊基于氟化樹脂體系合理設計涂層組成，同時賦予超疏水涂層優異機械穩定性、化學穩定性和一定的柔性，還能夠耐受高速液滴和液流的沖擊而不被破壞和穿透。這種純有機納米復合物超疏水涂層展現出前所未有的優異綜合性能，并且應用工藝十分簡便，無疑將極大的拓展超疏水涂層的應用空間。

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