澳门大学周冰朴课题组《ACS AMI》：兼具透气性及柔性的超疏水布料

由于超疏水布料具有优秀的稳定性以及固有的灵活性，在医疗保健、户外用品以及餐饮业等领域有着广泛的应用前景。一般来说，刚性材料以及柔性布料是通过表面处理如改变表面的粗糙度以及低表面能而获得超疏水性；但仍然需要面临超疏水材料所存在的耐用性的挑战，因为相关的分层结构较容易受到损坏。有鉴于此，澳门大学周冰朴课题组提出了一种三步骤的制备方法来实现具有高鲁棒性的柔性超疏水布料。该方法制备简单快速，只需要永磁铁所提供的磁场即可得到超疏水布料。

图1：（a）基于三步骤制备出超疏水布料的示意图。（b）示意图展示了超疏水布料表面层次结构的非润湿行为。（c）光学影像展示了液滴滴落在未处理的布料与超疏水样品上，以及相关SEM影像。（d）三种不同状态的布料的接触角及滚动角之间的差异对比；光学影像显示出驻留的液滴以及滚动角的测量状态。

如图1 所示，在此项工作中，所提到的三步骤法分别是首先将布料经过浸泡过程使织物形成一层薄PDMS层，藉以提高附着能力；第二为外部磁场原位形成的微纤毛结构；第三则是使用化学溶胀过程让纳米颗粒装饰于织物表面以形成层次结构。这种层次结构是包含了微纤毛结构和表面装饰的二氧化硅纳米颗粒，而粗糙的微纤毛结构可以提供防水能力；再加上溶胀过程中的二氧化硅纳米颗粒能够显著的降低表面能及再次增加粗糙度，从而在此层次结构协同下可以捕捉空气层（air layers） 达到Cassie-Baxter状态，所以通过此三步骤法可以获得超疏水布料。

另外，我们也进一步调查了三步骤的必要性，首先因为PDMS可做为一种黏附层去增加微纤毛与纤维基底的联合，所以作为三步骤的第一步。另外，我们同时了使用5 kPa摩擦测试去检验超疏水布料的表面稳定性，以有微纤毛结构与没有微纤毛结构的样品去做比较。在30次循环后，具有微纤毛结构样品的接触角和滚动角与测试前差异不大，但没有微纤毛结构的样品所量测的接触角和滚动角与测试前相比则差异非常大。从这项测试来看，三步骤法是必要的，它可以提供协同效应，将层次结构和低表面能结合起来，从而制备出具稳定而坚固的超疏水布料。

图2：（a）透过使用砂纸周期性的机械磨损去判断耐用性的示意图。（b）经过砂纸磨损后的样品表面接触角及滚动角的变化趋势。（c）示意图展示了使用100 g负重施压于与胶带接触的超疏水布料。（d）超疏水布料以及没有微纤毛结构的布料经过胶带剥离测试后的表面接触角及滚动角的变化趋势。（e）示意图展示了将超疏水布料浸泡于含有洗涤剂和水的烧杯中，并用搅拌棒进行洗涤试验。（f）经过不同的洗涤时间的样品表面接触角及滚动角的变化趋势。将超疏水布料浸泡于（g） 盐酸（pH ≈ 1）, （h）氢氧化钠（pH ≈ 13）, 以及（i）氯化钠溶液持续不同时间后所量测的样品表面接触角及滚动角的变化趋势。

同时，由于超疏水布料会因为日常使用如外部磨损、周期性的水洗以及不同的化学性腐蚀等而遭受破坏。所以在实际的应用上，超疏水布料的耐用性以及稳定性是一个非常重要的因素。为了检视超疏水布料的表面稳定性，我们使用了多种不同应用面向的稳定性实验去检测此布料，包含针对在不同压强下的砂纸磨损、周期性的胶带剥离、水洗实验以及化学稳定性评估等（图2）。以上多种不同的评估实验结果，皆证明由此三步骤制备而成的超疏水布料拥有优秀的耐用性以及抗腐蚀能力，可有望应用于实际生活中。

图3: （a）超疏水布料完全覆盖于雨伞表面的光学影像，分别展示了闭合与打开时的状态。（b）光学影像显示了雨伞上具有涂层布料区域在连续受到水冲击后的强效防水性。（c）光学影像展示了超疏水布料（左）和原始布料（右）之间的非润湿与润湿现象。（d）四种不同状态 （关闭、完全打开、超疏水布料以及原始布料） 覆盖于含有3 ml 水的离心管上的蒸发行为，用于观察水蒸发时的质量变化。

最后我们检测了超疏水布料的灵活性 （图3）。将超疏水布料贴合在雨伞的部分区域，也展示了极为优秀的灵活性。在反复的开闭之间，此超疏水布料不会有任何损坏且同样维持极好的超疏水性。此外，文中选用了四种不同的情况在同样的条件下进行透气性的实验对比 （图3d），如封闭、全开、超疏水布料以及原始布料。可以得出相比原始布料，经三步骤制备而成的超疏水布料仍然具备良好的透气性，并不会因为其表面微结构而影响透气性。

该工作得到了澳门科学技术发展基金、广东省科技厅及珠海科技创新局的支持。相关成果发表于ACS Appl. Mater. Interfaces，澳门大学应用物理及材料工程研究院研究助理欧惠芳为文章的第一作者，通讯作者为周冰朴副教授。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c07125

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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