超疏水功能表面由于其对液体独特的低粘附摩擦特性，被广泛应用在现代工程技术的各个领域，如受荷叶效应启发的自清洁表面、微流控领域的液滴和气泡高效运输、用于航行减阻的超疏水涂层以及水下可逆粘附等。然而，超疏水功能表面的机械耐久性是面向实际应用面临的主要挑战。鉴于此，合肥工业大学刘焜教授团队的焦云龙副研究员和博士研究生王兆长开发了一种简单、经济和环保的二氧化硅/环氧树脂仿生超疏水涂层制备方法，该涂层能够在各种不同的复杂环境中保持优异的机械稳定性，然后研究团队利用激光烧蚀技术在球体表面构筑了一层微纳结构，利用微结构的铠甲保护作用降低了小球表面超疏水涂层在水下的磨损，从而使球体能够在多次入水实验中依然能形成稳定的流线型气腔产生减阻效果。相关工作近期以“Underwater Drag Reduction and Buoyancy Enhancement on Bio-mimetic Anti-abrasive Superhydrophobic Coatings”为题发表在国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
超疏水涂层的制备及其性能表征
采用纳米二氧化硅颗粒（20 nm）、十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）和环氧树脂组成的无氟悬浮液来构建超疏水涂层，将获得的胶体溶液利用喷枪喷涂到载玻片表面。最后，将制备的试样放在80 ℃的烘箱中干燥2小时，便可获得接触角约为157°、滚动角约为3°的二氧化硅/环氧树脂仿生复合超疏水涂层（图1）。此外，我们采用了各种苛刻的物理、化学方法对超疏水表面的耐久性进行测试（图2和图3）。例如：砂纸磨损、小刀刻划后胶带剥离、水下稳定性、不同pH腐蚀溶液浸泡和耐候性等。随着磨损距离（3.5 m）的增加，涂层表面的接触角略有降低（WCA~152.5°），滚动角略有升高（WSA~9°）。为了验证涂层的水下稳定性，将涂层放在容器中以不同的转速搅拌，随着转速的增加，WCAs减少，WSAs增加。机械耐久性实验表明涂层具有优异的机械稳定性。此外，超疏水表面广泛用于复杂环境中，我们通过观察浸泡在复杂环境中涂层的接触角、滚动角和气腔的变化来研究该涂层的耐久性。可以看出，接触角仍然保持在150°以上，同时滚动角小于10°，并且气腔也没有明显的变化，表面该涂层具有优异的耐化学腐蚀特性。
图1 超疏水涂层的制备及其表征
图2 超疏水涂层在不同摩擦测试下的机械坚固性
图3. 超疏水涂层的化学稳定性实验
微结构超疏水球对流线型气腔的稳定作用
为了提高超疏水表面的耐磨特性，作者通过激光烧蚀技术对球体表面进行表面微纳加工（ 图4），互连的框架微观结构可以防止超疏水涂层免遭摩擦磨损，有利于增强涂层的机械坚固性。通过一系列的球体入水实验（ 图5），可以发现涂有超疏水涂层的微结构球体在多次破坏后仍能形成稳定的气腔，主要源于 激光烧蚀产生的微结构铠甲可以保护超疏水纳米涂层在撞击过程中免遭磨损，可以减缓球体表面气膜的坍陷，从而在球体上形成稳定的空气薄膜，实现持久的减阻效果。
图4微结构超疏水球的制备
图5不同类型球体的入水试验
超疏水涂层在水下浮力增加和减阻领域的应用
研究团队在一块载玻片上喷涂所制备的超疏水涂层后发现，所制备超疏水涂层样品在水中的浮力显著增加，虽然密度大于溶液密度但依然可以漂浮在水面上并且可以承受一定的载荷（图6）。实验结果表明，随着承载量的增加，由于 超疏水特性在样品边缘诱导形成的弯液面高度逐渐增加，表明样品所排开的液体体积逐渐增加，从而在水中的浮力增大。此外，作者将所制备的超疏水涂层用于小船的水下航行试验（图7）， 发现喷涂超疏水涂层的模型船通过改变船体的表面特性来降低了船面和流体之间的黏附阻力，从而降低了小船水下航行时的流体阻力起到减阻效果。
图6超疏水物体在水面上漂浮的机制分析
图7 模型船的航行实验
小结：研究学者首先制备了一种简单、经济和环保的超疏水涂层，该涂层在砂纸磨损、小刀刻划后胶带剥离以及复杂环境中均能保持高耐久性，然后利用激光加工技术在固体表面构建一种微纳粗糙结构，并利用互连的框架微观结构增强涂层的机械坚固性，最后初步探索了这种耐磨超疏水涂层在水下浮力增加和减阻领域的应用。该研究工作为仿生耐磨超疏水涂层在海洋减阻领域应用奠定了一定的理论和技术基础。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c14342
来源：高分子科学前沿
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