清華大學鄭泉水院士團隊《AFM》：耐磨損、耐沖擊、自清潔的超疏水/超疏油微納復合材料

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2022-08-10 09:20:47

超疏水表面具有自清潔，防冰，抗生物粘附，減阻，油水分離等特點，在實際應用中有著廣闊的應用前景，引起了廣泛的研究興趣。但是，在實踐中，人造超疏水表面的產品壽命明顯短于實際預期，特別是在暴露于惡劣環境期間。根本根源在于，超疏水性是化學疏水性和具有高粗糙度的微米級和/或納米級表面結構的協同效應，因此，對機械磨損，沖擊等的抵抗力很弱。通常，采用了四種不同的策略來解決這一問題：（1）仿生天然的超疏水表面的自我修復能力；（2）使用順應涂層，以便通過較大的彈性變形來軟化峰值應力，從而抑制不可逆的破壞；（3）設計可能以自相似方式失效的涂層；（4）使用固有耐磨材料或穩定介質作為模板，以減少對表面粗糙度特征的損害。然而，在實際應用中，超疏水表面依然會在磨損和沖擊下，失去超疏水性。因此，制備具有耐磨損、耐沖擊性的超疏水表面，依舊是一個巨大的挑戰性。

鑒于此，清華大學鄭泉水院士團隊通過在3D微骨架中完全填充超疏水介質的策略，制得到高機械穩定性的超疏水微骨架納米填料（MSNF）薄膜。所得的MSNF膜不僅在沖擊（約40.2 J動能）、磨損，刮刀刮擦和循環膠帶剝離后，依舊保持超疏水性。此外，MSNF還具有超疏油性，可防止油污染并在較大的彎曲或扭轉下保留超疏水性。結合堅固性和可擴展性，MSNF膜將在惡劣環境下的汽車，輪船，飛機和房屋中使用，并且該策略可以擴展到各種廉價的結構化材料（例如多孔鐵）。相關工作以“Microskeleton-Nanofiller Composite with Mechanical Super-Robust Superhydrophobicity against Abrasion and Impact”在Advanced Functional Materials上發表。

MSNF膜的制備：

將粗糙的多孔鐵浸入有機/無機復合溶液中，渦旋10分鐘，然后在室溫下進一步超聲15分鐘。然后將樣品在空氣中放置15分鐘，然后放入120°C的烤箱中，直到發生涂層完全交聯，充分固化。最后，通過超聲處理約20分鐘去除固化材料表面上多余的殘留物，得到MSNF膜。

MSNF膜的制備

MSNF膜的形成機理及性能：

磷化液對骨架材料表面的處理，在骨架表面引入了引入納米級粗糙度，從而增強骨架與填料之間的界面結合強度；γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH550）充當連接無機材料和有機材料的“分子橋”，即形成無機KH550有機相的鍵合層，增加了氟化環氧樹脂基料和無機填料（疏水性納米SiO₂）之間的結合，形成無機/有機復合溶液。無機/有機介質填充粗糙的多孔鐵骨架后，在表面交聯形成薄膜。無機納米顆粒，有機交聯物質和多孔骨架共同形成了微米/納米粗糙結構，為超疏水性提供了結構基礎。此外，由于薄膜中含有大量-CF₃和-CF2的低表面能基團，可以為表面提供低表面能。在低表面能和合適微納粗糙度的協同作用下，MSNF獲得了優異的超疏水性和超疏油性。

SEM圖

有機/無機復合溶液的制備

為了表征MSNF膜的機械穩定性，作者進行了標準砂紙磨耗，沖擊，磨耗，刀刮擦和膠帶剝離試驗。研究表明，MSNF膜在砂紙上（12.25kPa壓力）打磨2500個周期（對應于500 m），承受球3次反復沖擊（沖擊能量為40.2J），Taber磨耗、刮刀刮擦和循環膠帶剝離后，表面仍表現出超疏水性（CA大于150°，SA小于10°）。將污垢放在表面上，通過水滴完全去除。從SEM可以看出，在磨損和沖擊下，MSNF膜的最外層被刮掉了，而嵌入介質內部的精細骨架在介質的幫助下幾乎可以保持很小的變形，由于介質是塊狀超疏水材料，因此新暴露的介質表面將保持與原始介質類似的超疏水性。表明，高機械耐磨性和抗沖擊性結合的MSNF薄膜在室外惡劣條件下可以長期穩定地使用。

MSNF的機械穩定性

機械穩定性機理圖

除了機械磨損外，作者還研究了MSNF膜的彎曲，扭轉和親/疏油性。研究表明，MSNF膜具有良好的柔韌性，可以很大程度地彎曲（達360°），扭結區域上的液滴仍保持球形，從彎曲表面掉落然后迅速滾落。在15次彎曲循環后，MSNF膜仍具有良好的抵抗彎曲循環的強度。此外， MSNF膜也顯示出出色的超兩疏性，在30個磨損循環后，其超疏油性沒有發生任何變化。但在60個磨蝕循環后，疏油能力顯著下降。3D圖像表明，超疏油性所需要的凹入結構在磨損后被破壞，而超疏水性所需的微/納米結構仍然存在，因此在過度磨損后，盡管MSNF的疏油性能下降，但其疏水性不受影響。