關鍵詞：超疏水 超疏油 耐磨 透明 PDMS

背景：

基于具有自清潔、防污、低阻力和防污性能的超疏油高透明度涂層，在光學裝置、太陽能電池板和自清潔窗戶的工業應用中受到廣泛關注，但在迄今為止生產的許多超疏油涂層中，缺乏機械耐久性等問題一直無法解決。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一種通用材料，它具有很好的生物相容性、化學穩定性、透明度和機械彈性。被廣泛用于生物醫學設備，包括微流體和納米流體設備等.

生物納米技術與仿生納米探針實驗室（NLBB）與俄亥俄州立大學（The Ohio State University）的Samuel Martin等通過微圖案化和疏水性SiO2納米粒子與甲基苯基硅氧烷樹脂的粘合劑涂覆使PDMS具有超疏水性，隨后在涂層上氣相沉積氟硅烷使其具有超疏油性（圖1）。其研究成果發表在去年的《Journal of Colloid and Interface Science》上。

圖1 氟化納米粒子/粘合劑涂層

研究內容：

1、 PDMS基材及涂料處理

將PDMS基底在異丙醇中用超聲浴（45kHz頻率）清潔15min。然后，用去離子水沖洗基板并使其干燥。

將600mg疏水性二氧化硅納米粒子（10nm直徑）分散在30mL體積比為 40％四氫呋喃和60％IPA中。使用超聲波均化器（20kHz頻率，35％振幅）對該混合物進行超聲處理15min。然后，加入150mg甲基苯基有機硅樹脂，最后將混合物超聲處理15min以形成最終混合物。

2、 涂層工藝

首先，使用平坦或微圖案化的PDMS作為基材，并使用UVO化學活化處理90min。活化后，通過噴槍從10cm遠處用210kPa的壓縮空氣沉積1mL涂料混合物，置于70℃預烘5min。然后使用UVO將樣品照射1h。最后用密閉容器將三氯（1H，1H，2H，2H-全氟辛基）硅烷氣相沉積在樣品上（如圖2）。

圖2 PDMS上的氟化納米顆粒/粘合劑涂層的示意圖

結構表征與性能測試：

作者對樣品性能進行了一系列的表征與性能測試。

1、 SEM分析

圖3 SEM圖像

PDMS樣品涂層的SEM圖像（如圖3）。作者發現涂層具有凹入幾何形狀的分層結構，這些凹入的幾何形狀有助于支持油滴以達到超疏油性。從納米顆粒和粘合劑的微米級聚集體（如圖3a）可以看出，第一級層次結構具有不同的尺寸和形狀。為了觀察結構的凹入幾何形狀，采用與正常傾斜角成70°的SEM圖像（如圖3b），這些圖像顯示納米顆粒和粘合劑通常組合成準球形。第二層次結構，納米顆粒和粘合劑形成微米級附聚物聚集在粗糙外表面。粗糙表面會增加氣穴的數量，因此增加了氣液接觸面積，從而增加了液體排斥性。

2、 表面潤濕

各種涂層在平面和微圖案PDMS上測量水和十六烷的CA與TA值（見表1）。未經處理的扁平PDMS略帶疏水性，水CA為113°±2°，親油性十六烷CA為52°±2°。通過微圖案化PDMS，引入粗糙度并增強其疏水性和親油性，導致水CA為151°±3°具有超疏水性和超親油性。通過氣相沉積氟化的氟硅烷添加到樣品中以減少表面能量和提高防油性。在氟化扁平的PDMS上，水CA增加至119°±2°，這幾乎是平坦表面上可達到的最大CA，十六烷CA增加至69°±2°。在氟化微圖案PDMS上，水CA保持與微圖案化PDMS大致相同，遠高于在平面PDMS上的CA值，且十六烷CA增加至68°±2°，隨著簡單的微圖案化，用納米顆粒/粘合劑涂層來獲得超疏水性。

表1 沉積在各種涂層的平面和微圖案PDMS上的水和十六烷液滴的靜態接觸角和傾斜角的比較

3、 表面耐磨性

通過使用摩擦磨損試驗研究了平面PDMS上的氟化納米顆粒/粘合劑涂層的機械耐久性，其中一部分磨損痕跡所得光學圖像見圖4，磨損試驗在10mN下進行100次循環后產生可觀察到的磨痕。

圖4 平板摩擦磨損試驗前和后

圖5 液滴在摩擦磨損前后及故意破壞后的傾斜角

在磨損實驗之前和之后記錄十六烷TA，以及通過刮擦故意破壞產生涂層磨痕上的TA（如圖5）。在磨損試驗之前，拖過基材表面的十六烷液滴完全不會受阻，并以2°±1°的TA從表面上滑落；在磨損測試之后，當拖過表面時TA有所增加，十六烷液滴被固定在缺陷處，在TA為5°±1°時，液滴在缺陷處滑動。在TA為17°±2°時，放置在缺陷上的液滴能夠滑動。在故意破壞的涂層上，十六烷液滴變得高度固定，并且無論液滴起始位置如何，液滴都需要53°±4°的TA才能滑落，樣品經過磨損試驗后涂層仍然能夠在缺陷上排斥十六烷，這表明涂層沒有被完全破壞，該涂層仍然具有耐磨性能。

4、 涂層的表面透明性

圖6 透明度對比

當文本放置在平面和微圖案PDMS上的涂層后面時，文本仍然可讀（如圖6）。

結論:

Samuel Martin等人通過微圖案化和疏水性SiO2納米粒子與甲基苯基硅氧烷樹脂的粘合劑涂覆PDMS，隨后在涂層上氣相沉積氟硅烷，使涂層具有耐磨性、超疏水、超疏油和透明等特性。

參考資料：

Martin, Samuel, and Bharat Bhushan. "Transparent, wear-resistant, superhydrophobic and superoleophobic poly (dimethylsiloxane)(PDMS) surfaces." Journal of colloid and interface science 488 (2017): 118-126.

撰稿人：何毅

來源：國家涂料工程技術研究中心