可自适应变形的多层次结构助力涂层在超大拉伸形变下保持超疏水性能

晶莹剔透的水珠在荷叶表面可以任意滚动清除其表面的灰尘,达到“出淤泥而不染” 的效果。这种独特的超疏水行为主要归功于荷叶表面存在的低表面能物质和微纳粗糙结构。由于超疏水表面可以找到许多有趣的应用,如自清洁、防水、防结冰、防腐蚀,在过去的二十多年里许多研究者通过仿生的方法制备了各种超疏水表面。

然而,超疏水表面的微纳结构通常易碎,容易在外力作用下(摩擦、冲洗、变形)发生破坏而失去超疏水特性。为了提高超疏水涂层的机械稳定性, 传统方法主要采用提高表面机械强度的策略来限制结构在外力下发生变形破坏,如增加涂层交联度、结合力等。但是这些增强超疏水涂层无法应用于柔性基底(可拉伸电子、柔性传感器、功能织物)的防水保护。显然,在可拉伸基底表面构建的超疏水涂层的微纳结构会在大幅拉伸下发生空间上的结构破坏,导致超疏水性能失效。

SMll-tangchangyu

近期,中国工程物理研究院成都科学技术发展中心唐昶宇研究团队在可拉伸变形超疏水涂层制备和机理研究方面取得重要进展。他们采用纳米炭黑和聚丁二烯弹性体为原料,设计和制备出可大幅变形、具有多层次结构的超疏水纳米涂层。这种涂层的多层次结构表现出有趣的自适应变形行为,随着基底的大幅拉伸变形,可以裂解产生新的多层次微纳结构来维持原有的超疏水性能。结果,复合涂层在1000%的变形条件下仍然保持优异的超疏水性能(水接触角170°,滚动角<4°),且在多次拉伸-回复条件下也可以保持超疏水性能。 此外, 通过简单的拉伸处理可以对受到等离子体破坏的超疏水涂层进行快速还原修复。这种高度可拉伸的超疏水涂层可以喷涂于各种柔性基底,未来在可拉伸电子器件、柔性传感器、功能纺织品防水保护方面有重要应用意义。

这项工作有别于传统的“抵抗变形”策略提高超疏水表面机械稳定性,作者提出了“顺势而为”的理念,通过材料体系设计,让超疏水涂层的多层次结构适应外力变形,产生新的多层次结构维持超疏水性能,对于可耐受大形变、机械稳定性良好的超疏水表面制备提供了新的思路。

该论文以封面文章的形式发表于Small(DOI: 10.1002/smll.201602353)上。