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(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中有著廣闊的應(yīng)用前景，引起了廣泛的研究興趣。但是，在實(shí)踐中，人造超疏水表面的產(chǎn)品壽命明顯短于實(shí)際預(yù)期，特別是在暴露于惡劣環(huán)境期間。根本根源在于，超疏水性是化學(xué)疏水性和具有高粗糙度的微米級(jí)和/或納米級(jí)表面結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，因此，對(duì)機(jī)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(lái)解決這一問(wèn)題：
（1）仿生天然的超疏水表面的自我修復(fù)能力；
（2）使用順應(yīng)涂層，以便通過(guò)較大的彈性變形來(lái)軟化峰值應(yīng)力，從而抑制不可逆的破壞；
（3）設(shè)計(jì)可能以自相似方式失效的涂層；
（4）使用固有耐磨材料或穩(wěn)定介質(zhì)作為模板，以減少對(duì)表面粗糙度特征的損害。
然而，在實(shí)際應(yīng)用中，超疏水表面依然會(huì)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)性。
鑒于此，清華大學(xué)鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)在3D微骨架中完全填充超疏水介質(zhì)的策略，制得到高機(jī)械穩(wěn)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(dòng)能）、磨損，刮刀刮擦和循環(huán)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(zhuǎn)下保留超疏水性。
結(jié)合堅(jiān)固性和可擴(kuò)展性，MSNF膜將在惡劣環(huán)境下的汽車，輪船，飛機(jī)和房屋中使用，并且該策略可以擴(kuò)展到各種廉價(jià)的結(jié)構(gòu)化材料（例如多孔鐵）。相關(guān)工作以“Microskeleton-Nanofiller Composite with Mechanical Super-Robust Superhydrophobicity against Abrasion and Impact”在Advanced Functional Materials上發(fā)表。
MSNF膜的制備：
將粗糙的多孔鐵浸入有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合溶液中，渦旋10分鐘，然后在室溫下進(jìn)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(fā)生涂層完全交聯(lián)，充分固化。最后，通過(guò)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膜的形成機(jī)理及性能：
磷化液對(duì)骨架材料表面的處理，在骨架表面引入了引入納米級(jí)粗糙度，從而增強(qiáng)骨架與填料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度；γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH550）充當(dāng)連接無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料的“分子橋”，即形成無(wú)機(jī)KH550有機(jī)相的鍵合層，增加了氟化環(huán)氧樹(shù)脂基料和無(wú)機(jī)填料（疏水性納米SiO2）之間的結(jié)合，形成無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合溶液。無(wú)機(jī)/有機(jī)介質(zhì)填充粗糙的多孔鐵骨架后，在表面交聯(lián)形成薄膜。無(wú)機(jī)納米顆粒，有機(jī)交聯(lián)物質(zhì)和多孔骨架共同形成了微米/納米粗糙結(jié)構(gòu)，為超疏水性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。此外，由于薄膜中含有大量-CF3和-CF2的低表面能基團(tuán)，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(xié)同作用下，MSNF獲得了優(yōu)異的超疏水性和超疏油性。
為了表征MSNF膜的機(jī)械穩(wěn)定性，作者進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)砂紙磨耗，沖擊，磨耗，刀刮擦和膠帶剝離試驗(yàn)。研究表明，MSNF膜在砂紙上（12.25kPa壓力）打磨2500個(gè)周期（對(duì)應(yīng)于500 m），承受球3次反復(fù)沖擊（沖擊能量為40.2J），Taber磨耗、刮刀刮擦和循環(huán)膠帶剝離后，表面仍表現(xiàn)出超疏水性（CA大于150°，SA小于10°）。將污垢放在表面上，通過(guò)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(zhì)內(nèi)部的精細(xì)骨架在介質(zhì)的幫助下幾乎可以保持很小的變形，由于介質(zhì)是塊狀超疏水材料，因此新暴露的介質(zhì)表面將保持與原始介質(zhì)類似的超疏水性。表明，高機(jī)械耐磨性和抗沖擊性結(jié)合的MSNF薄膜在室外惡劣條件下可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地使用。
除了機(jī)械磨損外，作者還研究了MSNF膜的彎曲，扭轉(zhuǎn)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(dá)360°），扭結(jié)區(qū)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(huán)后，MSNF膜仍具有良好的抵抗彎曲循環(huán)的強(qiáng)度。此外， MSNF膜也顯示出出色的超兩疏性，在30個(gè)磨損循環(huán)后，其超疏油性沒(méi)有發(fā)生任何變化。但在60個(gè)磨蝕循環(huán)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(jié)構(gòu)在磨損后被破壞，而超疏水性所需的微/納米結(jié)構(gòu)仍然存在，因此在過(guò)度磨損后，盡管MSNF的疏油性能下降，但其疏水性不受影響。
小結(jié)：作者采用超疏水介質(zhì)填充粗糙多孔骨架設(shè)計(jì)的MSNF膜，為獲得具有高耐磨性和抗沖擊性的超疏水表面提供了一種直接而通用的解決方案，克服超疏水表面的“脆弱”缺點(diǎn)。在改進(jìn)填充方法并降低成本的前提下，實(shí)現(xiàn)MSNF膜的大規(guī)模應(yīng)用，滿足極端苛刻環(huán)境中的新興需求。
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