安阳工学院何强教授课题组：采用简单高效的方法制备了具有优异自清洁及弹跳性能的无氟超疏水硅橡胶表面

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超疏水材料是指材料表面与水的接触角大于150°而滚动角小于10°的材料。由于超疏水材料具有自清洁、防污染、防腐蚀、微滴操控、耐冰冻等各种特殊的性能，使其在航天、军工、农业、管道无损运输、房屋建筑以及各种露天环境下工作的设备等领域拥有广阔的前景。随着科技的不断进步，超疏水材料作为一种拥有巨大潜在价值的材料备受人们的青睐。虽然超疏水材料的制备方法有许多，例如电化学沉积、喷涂法、溶胶凝胶法、等离子体法、自组装法、模板法等，但是开发出简单、高效、环境友好、大面积制备的超疏水表面制备方法仍然是超疏水领域一项大的挑战。

鉴于上述原因，安阳工学院机械工程学院何强教授团队，利用硅橡胶具有较低的表面能这一固有特性，采用物理沉积法，在未完全固化的液体硅橡胶表面均匀分散一层氧化铝，室温固化完全后利用氮气吹去表面多余的氧化铝颗粒，然后进行超声清洗，干燥后得到超疏水表面（图1）。相关工作以“A fluorine-free superhydrophobic silicone rubber surface has excellent self-cleaning and bouncing properties”为题发表在J. Colloid Interf. Sci.（2020, DOI: 10.1016/j.jcis.2020.12.059）。

图1 氧化铝/硅橡胶超疏水表面的制备过程

首先，作者通过能谱分析确定氧化铝颗粒成功粘附到硅橡胶的表面（图2），再使用扫描电子显微镜观察了氧化铝颗粒与硅橡胶表面的结合状态（图3），结果表明氧化铝与硅橡胶表面的结合状态有部分包覆、半包覆和完全包覆，氧化铝的分布在硅橡胶表面构建了粗糙结构。

图2 原始硅橡胶（A）和氧化铝/硅橡胶(B)表面的元素分布及含量图

图3 原始硅橡胶表面、氧化铝颗粒和氧化铝/硅橡胶表面的扫描电镜图

然后，作者采用接触角测量仪和干涉式三维表面形貌仪分别对原始硅橡胶和氧化铝/硅橡胶的接触角、滚动角及表面粗糙度进行了测量，再结合超疏水表面的经典理论模型对氧化铝/硅橡胶表面的疏水机理进行了阐述（图4），结果表明，硅橡胶表面超疏水性能的获得主要来源于其自身较低的表面能，以及氧化铝在其表面构建的粗糙结构。

图4 氧化铝/硅橡胶超疏水表面的形成机理

最后，作者利用搭建的弹跳实验装置（图5），研究了液滴体积、下落高度、倾角及温度对液滴在氧化铝/硅橡胶表面弹跳行为的影响，结果表明：当液滴的下落高度较高时，由于其内部存在剧烈的拉伸运动，从而使液滴出现分离的趋势。当液滴的下落高度一定时，液滴的体积是影响液滴弹跳高度的一个重要因素。当液滴下落到倾斜试样表面后，液滴的重力与试样表面对液滴的作用力和液滴的弹跳方向并不在一条直线上，液滴内部拉伸运动的强度在液滴被弹起的过程中被降低，因此相比于水平试样表面，液滴在倾斜试样表面的弹跳过程中更加不易分离。此外，随着温度的增加液滴的最大铺展直径逐渐下降，并且最大弹跳高度逐渐增加。

图5 液滴的弹跳实验装置示意图

论文的第一作者为安阳工学院机械工程学院联合培养在读硕士研究生王广飞，通讯作者为安阳工学院机械工程学院何强教授。研究工作得到了洹水学者发展计划、河南省高等学校科技创新人才支持项目（19HASTIT023）的资助。

论文信息：

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

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.12.059

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