天津大学汪怀远教授课题组CEJ：一种高机械强度的具有 “玉米”状结构SLIPS涂层

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由哈佛大学Aizenberg教授提出SLIPS的仿生多功能表面由于其特殊的液固结合界面在近几年受到广大研究人员的关注。其主要应用领域包括防冻、防腐、防海洋污染和实现高透明性材料等，并在液体运输，太阳能电池表面和深海防污等领域展现出巨大应用前景。然而，考虑到在真实环境中的长期使用时，用于SLIPS储油的多孔或粗糙结构很容易被苛刻的机械磨损所破坏；同时，所注入的油层不稳定，很容易在外界刺激下被剥夺也是SLIPS亟待解决的问题。

基于以上问题，天津大学汪怀远教授团队通过对微纳米结构和化学相互作用的精细设计，提出了一种具有优异机械性能和稳定油层的有机/无机复合超疏水涂层用于SLIPS的制备。由于共价键Ti-O-Si和氢键的存在，TiO₂在许多堆积的坡缕石纳米棒上大量沉积，形成了独特的仿“玉米”结构。同时，TiO₂表面的羟基也能与两种聚合物（聚醚砜PES和聚偏氟二乙烯-六氟丙烯共聚物PVDF-HFP）以氢键的方式相互作用，由于这些强化的界面相互作用，这些“玉米状”结构紧密地聚集在一起，形成丰富而机械强健的粗糙结构，不仅展现出稳定且耐久的超疏水性，而且提供足够的毛细管力来储存润滑油。

研究发现，用于SLIPS注油前的超疏水涂层与基板具有优异的结合力，且在经受200次苛刻的摩擦机试验（负载为250 kPa）后仍保持超疏水性。此外，在200次砂纸磨损循环后，也仍能维持超疏水的接触角和滚动角（WCA＞150°, WSA＜10°）。通过对制备涂层的填料进行XPS和红外光谱分析，证明了坡缕石与TiO₂之间的共价键和氢键作用。同时在涂层的粗糙结构中观察到了一种“玉米”状的结构，涂层中的“玉米”状结构是由于坡缕石棒与TiO₂间的静电作用，共价键作用和氢键作用以及两种聚合物与TiO₂的氢键作用和聚合物的熔融包裹作用而形成的，具有优异的机械和化学稳定性及耐磨性。

图1. 具有类“玉米”状结构的涂层形貌

图2（a） 砂纸磨损实验示意图；（b）连续砂纸磨损循环后WCA和WSA的变化；（c）摩擦机装置（负载=250kPa）示意图；（d）连续摩擦机磨损循环后WCA和WSA的变化

注油后得到的SLIPS也具有优异的热水排斥性，在沸水中煮后15 min和300个热水浸泡循环后，仍能维持SLIPS的超滑特性。另外，所制备的SLIPS还在50 kPa高水压冲击，4000 rpm/min的高转速实验，96 h的水浸泡后和强酸强碱刺激后也维持了良好的超滑性质。这证明了所制备的SLIPS具有优异机械、物理和化学稳定性。该SLIPS也被证明可以用于多种基底上（木材，玻璃，PTFE塑料，钢板和泡沫镍等）。这项成果为设计强机械稳定性的SLIPS提供了新思路和解决方案。

图3（a）SLIPS上不同温度水的WCA和WSA；（b）将SLIPS浸入85℃热水中并拉出300次循环的示意图；（c）80 ℃水滴从SLIPS上滑落的红外热成像图片；（d）SLIPS浸入沸水不同时间时的WCA和WSA变化；（e）沸水浸没实验的示意图

图4 （a） SLIPS上强酸（pH=1）、水（pH=7）和强碱（pH=14）的WCA和WSA；（b）浸水96小时后SLIPS上的WCA和WSA；（c）不同转速下WCA和WSA的变化；（d）水冲击试验示意图（水压=50kPa）；（e）水滴手弯曲后的SLIPS上滑动；（f） 50 kPa水压下不同水冲时间后WCA和WSA的变化

以上研究成果发表在Chemical Engineering Journal上，论文的第一作者为天津大学化工学院硕士生袁思成，通讯作者为汪怀远教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128953

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