二氧化硅-硅樹脂復合超疏水涂層：可噴涂、可模塑

WaterOff

2022-08-10 09:03:24

超疏水表面（涂層）在減阻、節能、防冰以及防生物淤積等應用領域有著不可替代的作用。近來，人們已經發展了諸多自下而上或是自上而下的制備策略，用以構筑具有低表面能和粗糙表面結構的功能性超疏水涂層。但是，微納結構表面構筑過程的復雜性以及微納粗糙結構易磨損特點使得超疏水涂層在制備成本和使用壽命方面受到極大地制約。發展簡便策略實現具有高耐磨或易修復、可再生的超疏水表面的的功能涂層是該領域的重要發展方向。

近日，加拿大多倫多大學 (University of Toronto) Shaker A. Meguid教授研究團隊以納米二氧化硅顆粒和硅樹脂為原料，基于簡便的工業化噴涂技術或傳統樹脂模塑加工技術，簡便實現了具有多功能性復合超疏水涂層的構筑。同時，研究團隊對兩類超疏水涂層體系的組份構成與表面疏水性能的關系進行了詳細的表征分析；系統測試表明：該研究成果中構筑的超疏水涂層具有優異的彈性、耐久性以及超疏水表面可再生性能，具有廣闊的實際工業化應用前景。

超疏水涂層或塊體材料的制備過程示意圖。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

對于噴涂工藝制備復合超疏涂層，研究團隊對不同二氧化硅摻雜濃度（0 ~ 33 wt %）的超疏水體系進行了系統的研究。隨著二氧化硅摻雜濃度的增加，涂層逐漸呈現明亮色彩；當二氧化硅摻雜濃度＞9 wt %時，復合涂層表面達到超疏狀態（水接觸角＞150° ，滾動角＜10°）；當二氧化硅摻雜濃度達到33 wt %時，涂層表面水接觸角達約171°、滾動角僅為約2°，但是涂層耐久性顯著降低。

二氧化硅摻雜濃度對涂層表面色澤及疏水性的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

基于SEM和AFM對復合涂層表面形貌測試表明：納米顆粒引入構筑的表面微納粗糙結構是實現涂層表面超疏水特性的關鍵因素。當二氧化硅摻雜濃度為7 wt%時，二氧化硅包埋在硅樹脂中，涂層表面粗糙度較小、疏水性提升較小；當二氧化硅摻雜濃度為14 wt%時，直徑~ 10-25 μm的二氧化硅球狀顆粒分布在涂層表面顯著提升涂層表面粗糙度和疏水性。

二氧化硅摻雜濃度對涂層表面形貌的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

此外，研究團隊基于模塑技術實現二氧化硅-硅樹脂復合塊體超疏水材料的簡便構筑。同樣，體系二氧化硅摻雜量對材料表面的疏水性能有著重要影響。隨著二氧化硅摻雜量增加，材料表面疏水性逐漸增加，二氧化硅摻雜量為9 wt%時，涂層表面水接觸角達約167°、滾動角約6°；但是當二氧化硅摻雜量超過10%，難以得到均相乳液用于模塑。同樣，SEM測試表明，一定濃度的二氧化硅摻雜是構筑涂層表面粗糙結構的關鍵。