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張友法、王鉆開、鄧旭等合作 Nat. Commun.：史上最耐磨超疏水涂層

2023-09-27 來源：高分子科技

設計一種同時具有長效性、多相排斥性的超疏水涂層似乎是相互排斥的。首先，粗糙的微結構能夠貯存空氣墊，有利于排斥液體，但容易遭受高的局部應力破壞，且導致氣體滲透和固體釘扎。其次，降低涂層的表面能可以減弱多相物質(zhì)的吸附傾向，相反地會減少涂層內(nèi)的化學鍵合，即犧牲涂層的內(nèi)聚力和附著力。保持涂層功能性的同時提高其壽命一直是超疏水涂層領域的重大挑戰(zhàn)之一。

近期，東南大學材料學院張友法團隊與香港理工大學王鉆開教授、電子科技大學鄧旭教授、上海交通大學李萬博副教授合作，提出一種單元胞策略，可以解決上述超疏水涂層矛盾性問題。該單元胞由硬質(zhì)多孔硅藻土微殼和可釋放的納米種子組成，具有獨特的物化性質(zhì)。通過半改性微殼和完全改性納米種子賦予單元胞非均勻化學性質(zhì)，使其兼具可化學鍵合性和超疏水性；將這些單元胞分散在不同樹脂中，即可以起到機械強化和化學鍵合的作用，同時提高涂層的超疏水性和力學性能（圖1）。

圖1. 單元胞涂層示意圖

該單元胞涂層可以承受超過1000次Taber磨損（1 kg載荷），而傳統(tǒng)涂層在磨損數(shù)十次后即被磨穿，耐磨性提高了30-100倍（圖2a-c）。同時，該涂層能承受超過48 s高速水流沖擊（We~44444），耐沖擊性較傳統(tǒng)涂層提高了120倍（圖2d-e）。此外，該涂層還可以抵抗各種苛刻的損傷，包括不同的機械磨損和沖擊、反復的踩踏、膠帶剝離、高靜水壓力浸泡、化學腐蝕、熱處理和老化試驗等，顯示出優(yōu)異的耐久性（圖2f）。

圖2. 單元胞涂層的超耐磨性

較為有趣的是，該涂層可以同時防止高粘相和固相混凝土的黏附（視頻1）：1.對于固相混凝土，將混凝土砂漿澆筑在一半有涂層和一半裸露的馬口鐵樣板上，固化后，單元胞涂層表面的混凝土在重力作用下即輕易整塊脫落，粘附力低至0.1 kPa以下，而在基底表面的混凝土牢牢黏附，難以清除。2.將尺寸僅數(shù)微米的混凝土漿料在涂層表面反復壓縮后，漿料依舊無法刺穿涂層結構，在6°傾斜角度下即輕易滾落。3.單元胞涂層經(jīng)過連續(xù)的鋼絲球磨損（~7.6 N）、砂紙磨損（~6.6 N）、螺絲刀刮擦（~4.8 N）和壓力（~4 kPa，~20min）后，混凝土漿料也可以輕易滾落，毫無殘留。

該工作以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2023, 14, 5953）。文章第一作者是東南大學顧萬誠博士和上海交通大學李萬博副教授。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41675-y

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（責任編輯：xu）

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