纳米人-超长效抗多相物质粘附！东南大学这个课题组，花十年时间，攻克超疏水涂层产业应用的瓶颈问题！

超长效抗多相物质粘附！东南大学这个课题组，花十年时间，攻克超疏水涂层产业应用的瓶颈问题！

纳米人纳米人 2023-10-10

出淤泥而不染，濯清涟而不妖。这是君子的至高境界之一，也是科学家学习自然的至高目标之一。

多少年来，全世界科学家和工程师们致力于从自然界学习超疏水的原理，希望创造出新型的超疏水涂层，为汽车、光伏、电力、航空、航海、建筑等各行各业服务。虽然进展不断，捷报频传，却始终未能成功在实际中大规模应用。

最大的卡脖子问题在于：好是好，但是不耐用。

矛与盾

长效超疏水涂层既能抵抗不同相物质（液体、蒸汽或固体）的积聚，又具有多种功能，对于航空/海洋工程、石化工程、生物、建筑和传热等许多实际应用具有重大意义。然而，设计一种同时具有这些特性的涂层似乎是相互排斥的。

首先，粗糙的微结构能够贮存空气垫，有利于排斥液体，但容易被外力破坏，且导致气体渗透和固体钉扎。

其次，降低涂层的表面能可以减弱多相物质的吸附倾向，相反地会减少涂层内的化学键合，即牺牲涂层的内聚力和附着力。

在过去十年中，为缓解这些矛盾已经发展出了多种策略，仍始终未达到实际应用的需求。

1）一种常用的方法是，研究人员尝试通过选择具有高弹性模量、高弹性、自修复能力或自相似结构的材料设计出长效超疏水涂层。然而，涂层的长效性仍然难以满足实际应用要求。

2）另一种方法是，在表面上构建具有精细微结构的硬质装甲，包括相互连接的框架、孔洞和柱状阵列结构，这样可以提高整体机械耐久性。然而，这种方法需要复杂的制造过程，并且难以抵抗如局部尖锐磨损和软流体冲击之类的恶劣环境。

到目前为止，设计和规模化制备出能够抵御多相物质积聚的通用超长效涂层仍然是超疏水技术应用的瓶颈问题之一。

新思路

有鉴于此，东南大学材料学院张友法团队与香港理工大学王钻开教授、电子科技大学邓旭教授、上海交通大学李万博副教授合作，提出一种单元胞策略，可以同时赋予超疏水涂层多相排斥性和超长效性，而不需要复杂结构和制造工艺（图1）。该论文以题目“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”刚刚Online在期刊《Nature Communications》。

图1. 基于单元胞策略的超长效超疏水涂层效果图

设计思路：

该单元胞由硬质多孔硅藻土微壳和可释放的纳米种子组成，具有独特的物化性质。

机械上：当施加的载荷较小时，这些单元胞起到物理屏障的作用保护涂层结构和负载的纳米种子；而当载荷较大时，单元胞会发生破碎，立刻释放出纳米种子以维持涂层的功能性。

化学上：通过半改性微壳和完全改性纳米种子赋予单元胞非均匀化学性质，使其兼具可化学键合性和超疏水性。将这些单元胞分散在不同基体中，即可获得超长效多功能超疏水涂层。

核心优势：

1）超长效性：这种单元胞涂层相较于传统超疏水涂层耐磨性和耐冲击性分别提高了30-100倍和120倍。同时，这种单元胞涂层可以抵抗各种苛刻的损伤，包括不同的机械磨损和冲击、反复的踩踏、胶带剥离、高静水压力精抛、化学腐蚀、热处理和老化试验等，显示出优异的耐久性。

2）多相排斥性：单元胞涂层可以排斥液相、气相、固相、高粘相等多相物质的积聚，甚至是在相变过程中。

3）多功能性：与普通超疏水涂层和树脂涂层相比，单元胞涂层耐中性盐雾腐蚀性能提升了15-20倍，电化学阻抗提高了2-7个数量级，且可维持3600小时以上。应用于空调换热器，各种工况能效提升10-70%。

技术细节

单元胞涂层的设计

研究者分别选择多孔硅藻土、二氧化硅纳米颗粒和树脂作为微壳、种子和基质。单元胞涂层的制备分为三个步骤:微壳和种子的硅烷化，单元胞的形成，以及单元胞在基质中的分散。在第一步中，控制硅氧烷的添加量，分别使微壳半改性和种子完全改性，赋予单元胞非均匀化学性质。然后通过在乙酸丁酯中剧烈搅拌，将种子负载至微壳中，形成单元胞。制备好的单元胞最终稳定地分散在环氧树脂中从而形成涂层悬浮液（图2a）。图2b为制备单元胞的微观形貌，其直径为20 μm，厚度为3 μm，表面具有孔径在50~600 nm的多孔结构。这种单元胞可以紧密地嵌入在环氧树脂基体中，形成致密连续的体相，同时保持纳米级的粗糙度(图2c)。为了初步了解设计的可行性，将单元胞涂层的拉伸断裂强度和润湿性与传统涂层进行了比较。当水接触角大于160°时，单元胞涂层的断裂强度高达传统涂层的~10倍，表明其同时保持了机械强度和超疏水性（图2d）。而这两种性能可以通过控制细胞含量α和化学键密度β进行定制和优化（图2e-f）。

图2. 单元胞涂层的设计原理与力学性能

力学性能

微力学测试证明单元胞对涂层有明显的强化作用。图3a绘制了纳米压痕测试中单元胞的载荷-位移曲线，其机械强度远高于纳米种子，而在3.2 mN处出现的断点对应单元胞的破碎。将这种单元胞分散到涂层中，其会作为一个机械屏障，承受主要的外力，保护纳米种子在低于3.2 mN的载荷下免受机械损伤。与此形成鲜明对比的是，在不使用单元胞的情况下涂层很容易被磨坏，甚至从基底上刮掉(图3a-b)。与传统涂层相比，单元胞涂层在硬度和弹性模量方面都有显著提高(图3c)。当进一步增加载荷至超过临界值时，观察到单元胞的破碎，这导致存储的纳米种子在受损区域瞬间释放，从而保持表面粗糙度(图3d-f)。

图3. 单元胞的微力学特性

超长效性

作者首先研究了单元胞涂层抵抗Taber磨损和高速水流冲击的能力。无论使用何种基质，单元胞涂层都可以在1千克载荷下承受超过1000次磨损(图4a-b)，这表明长效性的强化作用主要来自单元胞而不是基质。进一步对比发现，单元胞涂层的耐磨性较传统涂层提高了30-100倍（图4c）。此外，单元胞涂层可以承受超过48秒的高速水流冲击（图4d-e，韦伯数为~44444），而所有对照涂层仅在2秒内就失去了超疏水性。同时，单元胞涂层可以抵抗各种苛刻的损伤，包括不同的机械磨损和冲击、反复的踩踏、胶带剥离、高静水压力精抛、化学腐蚀、热处理和老化试验等，显示出超长效性。(图4f)。