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研究背景

工程超耐用涂層能夠抵抗不同相(液體，蒸汽或固體)物質的吸積，同時賦予多功能，這對于許多實際應用至關重要，例如航空/海洋工程，海洋工程，海洋工程，海洋工程，海洋工程，建筑工程，海洋工程和海洋工程等。然而，通過結構設計來設計一種能夠顯示所有這些首選特性的涂層似乎是相互排斥的。首先，在涂層上引入粗糙的結構是防液的首選方法，但是，這樣做也會導致很強的局部透氣性，與固體顆粒的粘附性很大，并降低機械強度。因此，降低涂層的表面能會降低其對液體和固體的吸積能力，但是，涂層表面能的降低會降低其對液體和固體的吸積能力，因此，涂層的表面能會降低其對疏水表面的吸積能力，從而導致基體內部化學鍵的限制和與基體的弱附著力。

成果簡介

開發通用的、可擴展的、耐用的涂層，抵抗各種操作環境中物質(液體、蒸汽和固相)的吸附，對于工業應用來說是很重要的，但也被證明是具有挑戰性的。近日，東南大學張友法教授、香港理工大學王鉆開教授、電子科技大學鄧旭教授和上海交通大學李萬博副教授等人合作報道了一種不需要復雜結構和制造工藝的單元胞涂層，它具有拒液、防蒸汽和固體脫落的能力。其關鍵在于設計由剛性微殼和可釋放的納米種子組成的基本單元胞，它們共同充當剛性屏蔽和與基質和襯底化學結合的橋梁。

這種單元胞涂層具有較強的耐磨性和抗各種物質的抗侵蝕性，在1000小時以上的海水中增強了抗腐蝕能力，并在復雜的相變條件下保持干燥。單元胞可以浸漬成不同的基質，通過可擴展的噴涂，方便大規模生產。這項策略為工程超耐用涂料的廣泛應用提供了通用的設計藍圖。這項工作以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”為題發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

圖文導讀

圖1 單元胞涂層的設計與表征

圖2. 單元胞涂層的機械性能

在這里，作者提出了一種將結構和功能堅固性集成在一個涂層中的單元胞設計方法。如圖1a所示，關鍵在于設計一個由剛性微殼和可釋放的納米種子組成的單元胞單元或單元胞。單元胞是機械化學控制，賦予涂層的超耐久性。從機械上講，當施加的載荷小于其臨界斷裂點時，單元胞就像一個強大的屏障，保護表面結構。然而，在更大的載荷下，頂部的單元胞可以被破壞，納米種子在剪切力的作用下立即釋放，具有剪切適應性釋放，從而保持拒水性。化學上，作者利用單元胞的非均質化學，將納米種子完全鹽化，部分鹽化外殼，從而使單元胞與基質具有很強的結合強度，同時保持全局超疏水性。正如密度泛函理論(DFT)模擬所探究的那樣。這些單元胞也很好地分散在各種基質中，以同時設計具有強機械耐久性和多功能性的單元胞涂層。

在作者的設計中，分別選擇多孔硅藻土、二氧化硅納米球和環氧樹脂作為外殼、種子和基質。單元胞包衣的制備分為三個步驟:硅化殼和種子，形成單元胞，將單元胞懸浮在基質中。在第一步中，分別控制硅氧烷的添加量，使殼和種子硅化，使單元胞化學不均勻。然后在乙酸丁酯中劇烈攪拌，將種子浸漬在殼中，形成單元胞。制備的單元胞最終穩定地分散在環氧樹脂中，環氧樹脂是一種具有代表性的多用途基質，從而形成涂層懸浮液。涂層懸浮液可在80℃下噴涂1小時，在各種基材(如玻璃、金屬、陶瓷、聚合物復合材料、紙張、海綿等)上形成共價鍵合涂層。

圖3. 多孔涂層的機械堅固性(涂層厚度~80 μm)

圖4. 可持續應用的多孔涂層多相驅避(涂層厚度~80 μm)

作者進行了顯微測試，以證明基本單元胞的強化作用。圖2a繪制了納米壓痕測試中單個單元胞的載荷-位移曲線。斷點出現在3.2 mN，對應于單元胞斷裂的開始。一旦注入到涂層中，基本單元胞就會作為一個機械屏障，承受主要的應力，保護納米種子在低于3.2 mN的載荷下免受機械劃傷。

與此形成鮮明對比的是，在不使用基本單元胞的情況下，如納米種子涂層所示，涂層很容易被穿透，甚至從基體上刮掉(圖2a, b)。與對照樣品(即單殼涂層、單雜交種子涂層和單納米種子涂層)相比，單元胞涂層在硬度和彈性模量方面都有顯著提高(圖2c)。

當進一步增加超過臨界力的載荷時，我們觀察到單元胞的斷裂，這導致存儲的納米種子在受損區域瞬間釋放，從而保持表面粗糙度(圖2d-f)。然后，作者分別研究了單元胞涂層對Taber磨損和射流刺穿的機械耐久性。作者發現，無論使用何種基質，單元胞涂層都可以在1千克載荷下承受1000次磨損循環(圖3a、b)，這表明強化效果主要來自單元胞而不是基質。相比之下，所有的對照樣品，包括單獨的納米種子、單獨的殼、混合單獨的種子涂層、單獨的基質涂層和商業超疏水涂層，在經過幾十次磨損循環后，都被磨損并失去了拒水性，如圖3b所示。

總結與展望

綜上所述，作者提出的蜂窩設計解決了結構、化學和表面/體相性能方面的矛盾要求，并實現了防水涂層的超耐久性。所有使用的材料都是商業上可用的和環保的，并且可以大規模制備。作者進一步證明了由氟化物質制成的單元胞涂層的超耐久性，這種蜂窩涂層在其他實際應用中也很有前景，如防潮、減阻、防污、輻射冷卻和能量收集。

文獻信息

Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41675-y)

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41675-y

原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/11/01/4b25d72d66/

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