天津大学汪怀远教授课题组在水性超疏水涂层研究上取得新进展

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超疏水涂料因其超强的拒水性能和独特的自清洁性能，在防污、防冰、防腐、油水分离等领域具有广泛的应用前景。考虑到挥发性有机化合物（VOCs）对环境和健康的危害，环境友好型水性超疏水性涂料近年来受到人们的关注。然而，将疏水性材料分散到水介质中似乎是矛盾的。分散性差会导致超疏水性涂料的机械性能较差。因此，如何制备出疏水性能稳定，且机械性能持久的水性超疏水涂层是目前亟需解决的一大难题。

为了提升水性涂层的疏水稳定性及机械耐久性，汪怀远教授团队提出了增强涂层内多重复合界面的新策略。所制得的水性涂层即使在强酸性/碱性、高温、氙灯照射和苛刻的机械磨损的条件下仍能表现出高的疏水稳定性能。

该团队以聚四氟乙烯乳液（PTFE）作为水性树脂，多壁碳纳米管上原位生长氧化镁（CP&MgO）作为复合填料，磷酸二氢铝（AOP）作为无机粘结剂。在复合填料与无机粘结剂间发生的氢键作用和交联作用下，形成的磷酸盐网络包裹在复合填料表面，这不仅增强了复合填料间的界面相互作用，而且增强了涂层与基板之间的界面结合力。

图1. 水性PTFE-CP&MgO-AOP超疏水涂层的制备及各组分间分子相互作用示意图。

在500 g载荷下，对PTFE-CP&MgO和PTFE-CP&MgO-AOP涂层进行摩擦，可以看出引入磷酸二氢铝的涂层无论是从涂层寿命、涂层厚度损失程度、疏水角变化等角度都有明显提高。此外，还对涂层进行多种机械性能测试，研究结果表明测试后的涂层仍具有超疏水性能。

图2. 采用滚动摩擦法研究了PTFE-CP&MgO涂层和PTFE-CP&MgO- AOP涂层厚度、WCAs和WSAs随摩擦周期的变化。注:涂层的磨损寿命为基材暴露时的摩擦周期。对PTFE-CP&MgO-AOP涂层表面各种机械损伤的实验研究：(c1) 50 g重量下的刀痕试验、(c2) 手指擦试验和(c3) 胶带粘接试验；(d) 涂层表面润湿性随磨损次数的增加而变化。

此外，磷酸盐网络官能团与金属基板之间的相互作用，使得涂层与基板间的界面缺陷显著改善，涂层的粘附力从5级提高到1级。此外，制备的网状/珊瑚状复合结构涂层表面即使在强酸性/碱性、高温、氙灯照射条件下，也仍可以锁定稳定的气体层，保持优异的疏水稳定性。

图3.(a) PTFE-CP&MgO涂层和(b) PTFE-CP&MgO-AOP涂层的横截面的SEM图像。(c)剥离PTFE-CP&MgO-AOP涂层的Al基板表面的EDS分析(d) O 1s和(e) P 2p XPS光谱。(f) AOP粘结剂增强PTFE-CP&MgO-AOP涂层的粘附能力示意图。

以上研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文的第一作者为天津大学化工学院硕士生林丹，通讯作者为汪怀远教授。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c14471

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