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  超疏水材料是指材料表面與水的接觸角大于150°而滾動角小于10°的材料。由于超疏水材料具有自清潔、防污染、防腐蝕、微滴操控、耐冰凍等各種特殊的性能，使其在航天、軍工、農業、管道無損運輸、房屋建筑以及各種露天環境下工作的設備等領域擁有廣闊的前景。隨著科技的不斷進步，超疏水材料作為一種擁有巨大潛在價值的材料備受人們的青睞。雖然超疏水材料的制備方法有許多，例如電化學沉積、噴涂法、溶膠凝膠法、等離子體法、自組裝法、模板法等，但是開發出簡單、高效、環境友好、大面積制備的超疏水表面制備方法仍然是超疏水領域一項大的挑戰。

  鑒于上述原因，安陽工學院機械工程學院何強教授團隊，利用硅橡膠具有較低的表面能這一固有特性，采用物理沉積法，在未完全固化的液體硅橡膠表面均勻分散一層氧化鋁，室溫固化完全后利用氮氣吹去表面多余的氧化鋁顆粒，然后進行超聲清洗，干燥后得到超疏水表面（圖1）。相關工作以“A fluorine-free superhydrophobic silicone rubber surface has excellent self-cleaning and bouncing properties”為題發表在J. Colloid Interf. Sci.（2020, DOI: 10.1016/j.jcis.2020.12.059）。

圖1 氧化鋁/硅橡膠超疏水表面的制備過程

  首先，作者通過能譜分析確定氧化鋁顆粒成功粘附到硅橡膠的表面（圖2），再使用掃描電子顯微鏡觀察了氧化鋁顆粒與硅橡膠表面的結合狀態（圖3），結果表明氧化鋁與硅橡膠表面的結合狀態有部分包覆、半包覆和完全包覆，氧化鋁的分布在硅橡膠表面構建了粗糙結構。

圖2 原始硅橡膠（A）和氧化鋁/硅橡膠(B)表面的元素分布及含量圖

圖3 原始硅橡膠表面、氧化鋁顆粒和氧化鋁/硅橡膠表面的掃描電鏡圖

  然后，作者采用接觸角測量儀和干涉式三維表面形貌儀分別對原始硅橡膠和氧化鋁/硅橡膠的接觸角、滾動角及表面粗糙度進行了測量，再結合超疏水表面的經典理論模型對氧化鋁/硅橡膠表面的疏水機理進行了闡述（圖4），結果表明，硅橡膠表面超疏水性能的獲得主要來源于其自身較低的表面能，以及氧化鋁在其表面構建的粗糙結構。

圖4 氧化鋁/硅橡膠超疏水表面的形成機理

  最后，作者利用搭建的彈跳實驗裝置（圖5），研究了液滴體積、下落高度、傾角及溫度對液滴在氧化鋁/硅橡膠表面彈跳行為的影響，結果表明：當液滴的下落高度較高時，由于其內部存在劇烈的拉伸運動，從而使液滴出現分離的趨勢。當液滴的下落高度一定時，液滴的體積是影響液滴彈跳高度的一個重要因素。當液滴下落到傾斜試樣表面后，液滴的重力與試樣表面對液滴的作用力和液滴的彈跳方向并不在一條直線上，液滴內部拉伸運動的強度在液滴被彈起的過程中被降低，因此相比于水平試樣表面，液滴在傾斜試樣表面的彈跳過程中更加不易分離。此外，隨著溫度的增加液滴的最大鋪展直徑逐漸下降，并且最大彈跳高度逐漸增加。

圖5 液滴的彈跳實驗裝置示意圖

  論文的第一作者為安陽工學院機械工程學院聯合培養在讀碩士研究生王廣飛，通訊作者為安陽工學院機械工程學院何強教授。研究工作得到了洹水學者發展計劃、河南省高等學校科技創新人才支持項目（19HASTIT023）的資助。

  論文信息：Guangfei Wang, Anling Li, Kangshuai Li, Yaohui Zhao, Yongwei Ma and Qiang He*, A fluorine-free superhydrophobic silicone rubber surface has excellent self-cleaning and bouncing properties. J. Colloid Interf. Sci., 2020, DOI: 10.1016/j.jcis.2020.12.059

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.12.059