超疏水現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，荷葉、蝴蝶翅膀以及一些甲蟲(chóng)的外殼，都呈現(xiàn)超疏水狀態(tài)。隨著對(duì)超疏水現(xiàn)象內(nèi)在機(jī)理研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)材料表面的化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)是構(gòu)成超疏水狀態(tài)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。由于超疏水現(xiàn)象可以用于自清潔、抗污、防結(jié)冰、油水分離等諸多領(lǐng)域，科學(xué)家一直在開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的超疏水材料和涂層。基于有機(jī)/無(wú)機(jī)（納米顆粒）摻雜、引入潤(rùn)滑層、構(gòu)筑微/納復(fù)合精細(xì)結(jié)構(gòu)表面等諸多方法都已廣泛應(yīng)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(xué)穩(wěn)定性優(yōu)秀，或與基材粘附性較好，或使用壽命長(zhǎng)。不過(guò)，同時(shí)兼具以上優(yōu)點(diǎn)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(gòu)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(fù)性、構(gòu)筑表層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能一致的均相涂層、構(gòu)筑柔性涂層。近日，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的Manish K. Tiwari課題組綜合利用上述策略的后兩種，構(gòu)筑了一種柔性的全有機(jī)納米復(fù)合物超疏水涂層，其中包含氟化環(huán)氧樹(shù)脂、全氟聚醚和含氟聚合物納米顆粒。該涂層展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，能夠耐受苛刻的腐蝕環(huán)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(shí)，這種涂層可通過(guò)噴涂、涂刷等常規(guī)方法施用在待處理的表面，操作容易。相關(guān)論文發(fā)表于Nature Materials 并被選為封面文章，第一作者為Chaoyi Peng。

當(dāng)期封面。圖片來(lái)源：Nat. Mater.

    涂層組分的選擇和組合花費(fèi)了研究者不少功夫。環(huán)氧樹(shù)脂的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性上佳，通過(guò)親水官能團(tuán)還能分散納米顆粒，并且具有強(qiáng)大的基材粘附力；全氟聚醚有助于調(diào)整涂層的表面能和柔性；含氟聚合物納米顆粒能夠提供結(jié)構(gòu)控制并降低表面能。不過(guò)普通的環(huán)氧樹(shù)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(wú)法滿足需要。研究者使用“多步氟化（multi-fluorination）”策略來(lái)制備高性能超疏水涂層。首先，他們使用含氟聚合物對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行接枝改性得到氟化環(huán)氧樹(shù)脂（記為FE），以增強(qiáng)其疏水性，WCA增加到約80°（下圖b）。他們?cè)诜h(huán)氧樹(shù)脂中混入全氟聚醚（Krytox oil），賦予樹(shù)脂（記為KFE）優(yōu)異的柔性，同時(shí)進(jìn)一步增加疏水性，WCA增加到約93°（下圖c）。而后，通過(guò)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(fù)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(duì)多步氟化策略的各個(gè)過(guò)程所得產(chǎn)品進(jìn)行了相應(yīng)的表征（下圖e），結(jié)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(guò)程都很成功。

超疏水涂層構(gòu)筑過(guò)程示意圖。圖片來(lái)源：Nat. Mater.

    這種納米復(fù)合物涂層除了具有很好的疏水性，還展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)30次高粘性膠帶剝離測(cè)試后（下圖a），涂層表面未產(chǎn)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(jìn)行100次循環(huán)Taber磨損測(cè)試（下圖d），涂層厚度未呈現(xiàn)明顯降低，涂層表面仍呈現(xiàn)優(yōu)異的疏水性（150 g負(fù)荷下，θA約為155°；200 g符合下，θA約為151°；250?g負(fù)荷下，θA約為146°）。兩種測(cè)試下，涂層形貌都沒(méi)有發(fā)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(jī)械穩(wěn)定性測(cè)試。圖片來(lái)源：Nat. Mater.

    研究者進(jìn)一步對(duì)超疏水涂層的化學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)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(xué)穩(wěn)定性測(cè)試。圖片來(lái)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(dá)35 m?s-1水流噴射測(cè)試（韋伯?dāng)?shù)？43000）中，涂層表面結(jié)構(gòu)并沒(méi)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(gè)數(shù)量級(jí)。此外，這種涂層的柔性也使其可以施用于柔性材料表面，進(jìn)一步擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍。

超疏水涂層耐受高速液滴和液流的沖擊。圖片來(lái)源：Nat. Mater.

——總結(jié)——

    Manish K. Tiwari博士團(tuán)隊(duì)基于氟化樹(shù)脂體系合理設(shè)計(jì)涂層組成，同時(shí)賦予超疏水涂層優(yōu)異機(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)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(jī)納米復(fù)合物超疏水涂層展現(xiàn)出前所未有的優(yōu)異綜合性能，并且應(yīng)用工藝十分簡(jiǎn)便，無(wú)疑將極大的拓展超疏水涂層的應(yīng)用空間。