「種草」種出超強自愈性超疏水材料

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從模仿荷葉開始，人們對於超疏水表面已經開展了眾多的深入研究，取得了豐富的成果。基於表面微納結構和表面化學性質（低表面能）的調控，可以簡便地構築不同的超疏水表面。不過，實際應用中超疏水表面的結構容易遭到破壞，因此具有自愈性的超穩定超疏水塗層在諸多領域有著廣泛需求。目前，超疏水塗層的自愈，實現方式主要包括基材組分發生化學反應修復和基體儲存「液態」材料的表面滲透遷移修復。但是，上述策略往往存在修復材質降解、組分揮發流失/利用率低及缺乏長期使用穩定性等缺點。

近日，日本產業技術綜合研究所（AIST）的Atsushi Hozumi博士研究團隊發現了一種新的方法來構築自愈性超穩定超疏水塗層。他們在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材內注入兩種液體：丙基三氯硅烷（TCPS）和低粘度硅油（SO），TCPS會在濕氣氛圍下水解、縮聚，自組裝成「草」狀微纖維並賦予表面超疏水性和優異的機械性能，而SO的表面滲透性賦予材料優異的自癒合性，這樣PDMS-SO/TCPS材料超疏水表面就同時具備了自癒合性和長期穩定性。

自愈性超疏水表面構築示意圖及表面硅樹脂「草」形貌表徵。圖片來源：Langmuir

PDMS-SO/TCPS材料中的丙基三氯硅烷（TCPS）從基材中逐漸滲出，在濕氣氛圍下很容易發生水解和縮聚反應，從而在PDMS基材表面生成類似「草」的圓錐形微納尺度纖維（硅樹脂「草」）。這種「草」的纖維直徑在300 nm至1 μm，長度在10 μm至30 μm。電鏡（SEM、TEM）測試表明其纖維表面存在微突結構。研究表明，表面「草」狀纖維一方面能夠提高其塗層的機械性能，另一方面能夠起到「鎖定」作用，防止低粘度SO滲出損耗。

研究團隊對體系中PDMS、SO、TCPS三組分含量對材料表面形貌及性能的影響進行了探究。當TCPS/SO/PDMS含量比為20:70:100（vol %）時，表面生成無規則的微孔隙；而提高TCPS/PDMS比例時（20 vol % 30 vol %），表面則形成微裂紋形貌。但是，三組分的含量配比對其表面疏水性能影響不大。

材料組成對錶面微納形貌及疏水性的影響。圖片來源：Langmuir

對材料表面氧等離子體（OP）處理進行塗層耐用性測試，不同OP時間處理（30min、5h、12h、24h）條件下，在濕空氣氛圍下材料表面都能實現較迅速的超疏水性恢復，OP處理耐受性顯著提高。同時，材料表面展現出優異的耐刮擦性能。

等離子處理及摩擦測試對材料性能的測試。圖片來源：Langmuir

研究人員通過構築表面微納結構矩陣等對比試驗對其超強自愈性機理進行了深入探究。研究表明，材料表面裂紋或微孔隙的存在利於低粘度SO材質的迅速滲出進行材料表面修復，而表面的纖維結構則保證了材料表面超長的OP耐受性，兩個因素缺一不可。

超強自愈性機理及影響因素探索。圖片來源：Langmuir

——總結——

通過丙基三氯硅烷在彈性基底表面的水解縮聚反應結合基體內低粘度硅油的存儲，Atsushi Hozumi博士團隊構築了具有超強自癒合性能的超疏水塗層。該塗層克服了以往自癒合塗層的諸多局限性，展現出優異的戶外耐候性、化學穩定性和耐濕熱性能等，極大的拓展了其應用範圍。同時，該研究為新一代自癒合超疏、雙疏塗層的製備和發展提供了借鑒。

Self-Healing Superhydrophobic Materials Showing Quick Damage Recovery and Long-Term Durability

Langmuir,2017,33, 9972-9978, DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b02343

（本文由宗傳永-濟大供稿）

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