“烧烤”工艺制备“大面积超疏水性表面”

来源：高分子科学前沿

……涂上一层油，在火上烤一烤……这一在“烧烤店”中常见的标准操作，可能在未来的某一天，在户外的大面积超疏水涂层制备过程中，得到普遍应用。超疏水表面因其优异的斥水性能，在防腐领域（运输线路，高架桥梁，水面建筑，飞行器，汽车等）、防冰（空军，铁路，高速铁路，输电线，建筑等）、表面抗污（太阳能电池板，摩天大楼玻璃）等领域，具有非常广阔的潜在需求。仅仅在美国，在金属防腐方面，每年维护费用达到2760亿美元，修复因积冰产生的损伤需要230亿美元。但是目前超疏水技术距离真正商业化还有很多问题需要解决，主要受限于以下几个方面：1.     应用环境适应性弱，机械稳定性不佳，表面微纳结构容易受有机污物的污染，而丧失超疏水性能。2.     制备技术稳定性、环境友好性（比如：是否便捷、制备面积是否有限、自动化程度如何，对基材曲面和粗糙度适应性、成本、滚动角控制如何）3.     失效后如何再生修补2016年，美国爱荷华州立大学的Ludovico Cademartiri课题组，率先利用“烧烤”工艺制备超疏水涂层（DOI: 10.1002/adma.201506446）。该方法具有：简便、快速，大面积、在线原位施工等特点，并易与自动化技术相结合。所选PDMS基原材料方便易得，涂层和大多数固体表面均有较强的附着力，工艺过程环境友好。在耐UV，耐酸以及污物和耐磨等方面，性能优异，并可在线修复再生，可以实现图案化，从而表现出了很强的商业化潜力。但是，对于该工艺还有一些细节问题需要回答，包括：涂层制备影响因素，涂层内部结构形成机制等。近日，该课题组发表了最新研究进展：对该制备工艺以及机理进行更细致的研究。发现该工艺有显著的自锁效应，虽然，施工工艺相对粗放，但是可以形成粒径较为稳定的无机硅粒子，粒子进一步聚集沉积，形成表面尺寸敏感的超疏水表面。对涂层截面分析可以看到，该涂层主要有三层结构（主要来源于温度梯度和氧气含量的影响）：表层为灰层（Soot layer），主要是由表面聚合物解聚为低聚物并经氧化产生无机硅粒子，经聚集而形成；  下面一层连续的聚合物层（Continuouslayer），主要源自聚合物受热和解聚过程中融化形成；再向下为一层多孔结构（pore layer），孔洞是由于有机硅基团在氧气缺乏的条件下，当温度足够高时，会发生分解，释放出甲烷气体而导致。作者对工艺中热场进行模拟分析，并明确超疏水表面对应的工艺参数范围（火焰中心温度范围：750-2450℃，相对移动速度0.4-16cm/s）。

热场分布以及工艺窗口范围在对不同条件下表面疏水性能进行分析过程中，发现，该过程具有显著的自锁效应，当温度足够高时，有机硅表面在氧气催化作用下会发生裂解，形成裂缝而无微纳结构形成；而当火焰与表面接触时间过短，将没有足够时间诱导聚合物发生解聚以及后续的氧化形成粒子，无法产生超疏水界面所需的飞灰层。对于此“烧烤”工艺，对于特殊素材，如果有附着力方面要求，可以采用两层方案，以密封胶作为附着力底层，在此基础上，加上PDMS硅烷层，再施加烧烤工艺。而如果对表面进行选择性偏氟硅烷接枝处理，经火焰处理后，可形成超疏水和超亲水相间表面，赋予表面更多特性。通过研究涂层结构形成机理，该涂层材料的选择有望进一步丰富，为未来的商业化提供更多的参考和启发。论文以《Self-Limiting Processes in the Flame-Based Fabrication of Superhydrophobic Surfaces from Silicones》发表在最新的在ACS Applied Materials & Interfaces上发表。论文第一作者为Xinchun Tian博士，现为Iowa State University博士后研究员，硕士毕业于上海交通大学。Ludovico Cademartiri博士为通讯作者。