江南大学付少海教授《ACS AMI》：基于聚硅氧烷-聚脲弹性体仿生构建基体自修复-油膜自补充的超滑（SLIPS）表面

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近年来，在自然生物功能表面启发下制备的具有稳定结构的超润湿表面因其在减阻、耐腐蚀、防冰、防污、自洁等领域广阔的应用前景而受到了科学界的广泛关注。其中，受猪笼草独特的润滑性启发，研究人员通过构筑微纳粗糙结构并灌注润滑液等方法研制出了具有超低滑动角的液体灌注型多孔超滑表面(Slippery Liquid Infused Porous Surface, SLIPS)。然而在实际应用中，基材微纳粗糙结构的耐磨性较差，容易失去锁定润滑液的能力。此外，润滑液膜由于分子扩散、机械外力、流体剪切等作用不可避免的存在挥发、挟带等原因的损失，导致超滑表面长效服役性能较差。因此，开发不受微结构和润滑液限制的基底自愈合与润滑油膜自补充协同效应修复的稳定超滑防污涂层具有重要的意义。

江南大学付少海团队聚焦于特殊润湿性能有机硅基防污涂层开展了大量基础与应用研究。在先前工作中，为解决润滑油接枝型防污涂层力学性能差、润滑油易流失的问题，该团队设计制备了有机-无机杂化微球接枝氨基封端PDMS涂层，该涂层可组装在玻璃纺织品等基材上并实现对基底长期稳定的防护（Chemical Engineering Journal 422 (2021) 130113）；该团队还将中空介孔二氧化硅作为储油囊引入到超滑防污涂层中，储油囊中储存的乙烯基封端PDMS链段在热处理过程中可以通过介孔通道从中空微腔向表面定向迁移，在提高超滑表面储油能力的同时赋予润滑油膜自修复的特性（Journal of Colloid and Interface Science 586 (2021) 279-291）。然而，上述工作均依赖于难以修复的基底微纳结构。

最近，该团队将硅油封装在聚硅氧烷-聚脲弹性体中制备了一种具有基体自愈合和润滑液自补充性能的防污涂层(图1)。通过优化化学组成和分子间的相互作用制备了最大断裂强度为0.12 MPa，伸长率为1600%，自愈合效率为98%的超滑弹性体。在机械刺激下可控制释放储存在弹性体中的润滑液，进一步实现表面超滑与钉扎态之间的液体操纵切换。此外，织物复合增强的超滑弹性体具有优越的机械强度，还表现出液体排斥，抗蛋白、抗硅藻粘附能力和减阻性能。因此，该基体和润滑油膜协同修复的防污涂层有望在海洋防污、自清洁材料和可穿戴防护服等领域有广泛应用。

图1 聚硅氧烷-聚脲多重自修复材料的制备及其修复性能研究

该涂层以氨基封端的聚二甲基硅氧烷和异佛尔酮二异氰酸酯为原料，对苯二甲醛为扩链剂在含硅油润滑液的四氢呋喃溶液中反应合成。利用脲基氢键，可逆亚胺键以及硅油流动性的协同作用实现了弹性体优异的自修复性能，并系统的研究了共价键和非共价键含量比例、氨基硅油分子量、惰性硅油含量等因素对弹性体的力学性能（断裂强度、断裂伸长率和修复性能）的影响规律。通过系统参数的优化，确立了制备高强度弹性体的最优化工艺条件(图1)。此外，通过对弹性体表面擦拭和磨损将表面油膜逐渐消耗，进一步机械拉伸和施加压力刺激，控制弹性体内部润滑油可控释放到表面，实现表面油膜的自补充；研究了不同压力刺激对润滑油释放程度和弹性体表面摩擦系数的影响规律；同时，通过对润滑油膜含量的调控，实现了对表面液滴的超滑状态(滑动角=10°)与钉扎态(滑动角=70°)之间的智能切换(图2)。

图2 表面油膜自补充和液滴黏附性能调控

图3 织物增强复合材料的防污性能

将该涂层与涤纶织物进行复合，不仅提高了涂层的机械强度，同时赋予了织物良好的防污性能。复合织物涂层对于染料染色的水、甲酰胺、二甲亚砜等不同表面张力的溶剂均表现出良好的防污效果。将涂层在牛血清蛋白和小球藻培养液中浸泡数小时后，涂层的表面几乎无任何蛋白或水藻残留(图3)。除了生物防污性能外，减阻性能也是是水下部件材料设计中需要解决的问题。该涂层在不同液体介质中均表现出优异的减阻性能，减阻率分别为38.3%（水中）和36.3%（油溶剂）。综上所述，此类基体自愈合和润滑油控制释放的防污涂层可有效降低应用过程中由于结构微裂纹、油膜损耗等问题引起的疏液防污性能失效。该自修复涂层在防护服、可穿戴设备和海洋防污减阻等方面有潜在的应用。

以上相关结果以“Slippery Antifouling Polysiloxane-Polyurea Surfaces with Matrix Self-Healing and Lubricant Self-Replenishing”为题发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上（DOI: 10.1021/acsami.1c07132）。论文的第一作者为江南大学纺织科学与工程学院博士生于梦楠，江南大学付少海教授和刘明明副研究员为论文通讯作者。

相关链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721016983

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979720314314

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c07132

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