近些年來(lái)，超疏水表面在無(wú)損液體運(yùn)輸、除霧、防霧方面表現(xiàn)出巨大的潛力，引起人們的廣泛關(guān)注。而高透明的超疏水涂層在擁有自清潔能力的同時(shí)還呈現(xiàn)出良好的顯示效果，可被廣泛的應(yīng)用于擋風(fēng)玻璃，太陽(yáng)能電池板和交通指示器等領(lǐng)域，成為人們青睞的研究熱點(diǎn)。
傳統(tǒng)的制造方法，如化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠、溶劑熱技術(shù)和浸涂策略等，被用于制備高性能的超疏水表面，然而得到的材料很難在滿足疏水性能的同時(shí)保持較高的透明度，或者不具備較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度滿足高速的液體沖擊。因此，構(gòu)造具有高透明度和可逆疏水性的穩(wěn)定性涂料以抵抗化學(xué)和機(jī)械極端條件，仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。
PDMS因其優(yōu)異的穩(wěn)定性，良好的耐磨性，出色的防水性以及與基材的強(qiáng)附著力而成為構(gòu)建超疏水涂料的常用無(wú)氟聚合物粘合劑，并且通過(guò)熱處理和超聲處理，很容易將其制成納米級(jí)和微米級(jí)顆粒。同時(shí)，TiO2是一種具備固有光響應(yīng)的材料，在紫外光的刺激下可以實(shí)現(xiàn)其表面可逆的疏水變化。因此，可以通過(guò)利用PDMS和TiO2微米/納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)來(lái)制備一種機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的涂層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其表面的高透明度和可逆潤(rùn)濕性。
福州大學(xué)的賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)以PDMS和TiO2為原料，通過(guò)熱處理和噴涂處理相結(jié)合的方式制備得到了高透明具備分級(jí)結(jié)構(gòu)的PDMS NPs/PDMS MPs-P25雜化涂層。該復(fù)合涂層在不同的基板上表現(xiàn)出可逆的超疏水性和機(jī)械化學(xué)強(qiáng)度，在可見(jiàn)光區(qū)域下達(dá)到76%的光學(xué)透過(guò)率。此外，復(fù)合涂層具備優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，在酸性和堿性條件下浸泡24 h仍保持接觸角150°以上，在膠帶剝離測(cè)試30個(gè)循環(huán)后表面形貌和超疏水性能變化不大。鑒于其在防冰，光催化降解和自清潔方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，使其在定向液體傳輸、水響應(yīng)的智能窗戶等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的前景。該研究成果以“A transparent superhydrophobic coating with mechanochemical robustness for anti-icing, photocatalysis and self-cleaning”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上（見(jiàn)文后原文鏈接）。文章第一作者是福州大學(xué)的博士研究生朱天雪。
作者首先采用熱處理的方法將PDMS納米顆粒氣相沉積到玻璃基板的表面，增加其表面的粗糙程度，賦予其超疏水性。然后，再通過(guò)將PDMS微米顆粒和二氧化鈦混合溶液噴涂到改性后的玻璃表面，進(jìn)一步增加涂層的黏著力和穩(wěn)定性。
作者對(duì)不同溫度下處理的涂層進(jìn)行了形貌表征。隨著溫度的升高，其表面納米粒子的密度逐漸增加。
在引入PDMS微粒和TiO2納米粒子后，形成了分級(jí)程度更明顯的PDMS/TiO2微-納米粗糙結(jié)構(gòu)。
通過(guò)紅外和TG對(duì)涂層進(jìn)行表征，Si-O-Si和Si-CH3的伸縮振動(dòng)峰的出現(xiàn)驗(yàn)證了PDMS的成功引入。而在TG曲線中，PDMS在277.5 °C開(kāi)始?xì)饣?50 °C開(kāi)始降解，表明了在400°C進(jìn)行熱處理有利于PDMS的氣相沉積。
作者對(duì)涂層在紫外光刺激下的表面潤(rùn)濕性進(jìn)行研究?？梢园l(fā)現(xiàn)，該涂層在紫外照射后其接觸角由168.6°轉(zhuǎn)變?yōu)?34.0°，并且可以通過(guò)在暗環(huán)境和熱處理的方式實(shí)現(xiàn)其可逆潤(rùn)濕性的改變。隨著熱處理溫度和時(shí)間的增加，涂層在可見(jiàn)光下的透過(guò)率逐漸降低。
涂層在350°C熱處理2h的透過(guò)率達(dá)到81%，并且在噴涂處理后其透過(guò)率仍保持了76%的高透過(guò)率。此外，涂層在酸性、堿性和鹽性的條件下維持其高疏水的狀態(tài)，并且在不同的基板上表現(xiàn)出高透明性。
作者對(duì)PDMS NPs/PDMS MPs-P25涂層的化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了表征。
可以發(fā)現(xiàn)，涂層在酸性（pH = 2）和堿性溶液（pH = 12）中浸泡24h后接觸角仍保持在150°以上，且并未發(fā)生明顯的降低，滑移角則顯示出少量增加。
形貌表征顯示涂層表面并未發(fā)生明顯的變化，這種由于的化學(xué)穩(wěn)定性可以歸結(jié)于PDMS的化學(xué)惰性。
作者通過(guò)水滴、沙子沖擊和粘結(jié)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了涂層的力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明在不同的測(cè)試后其接觸角保持在150°以上，并未發(fā)生明顯的降低，涂層表面的形貌也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞。此外，從動(dòng)態(tài)水滴掉落實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)在機(jī)械處理后涂層表面仍保持優(yōu)異的超疏水特性。
作者對(duì)超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25涂層的防冰性能、自清潔和光催化性能進(jìn)行了分析。
在冷臺(tái)的作用下，涂層表面的溫度從20 C 降低到-12.5 C，同時(shí)采用紅外相機(jī)觀察表面水滴的相變和熱能變化。
當(dāng)水滴發(fā)生相變時(shí)，可以觀察到一個(gè)瞬時(shí)的溫度升高，將此時(shí)的時(shí)間與達(dá)到0 C的時(shí)間差稱為延遲冰點(diǎn)時(shí)間。
未改性的純玻璃基板在延遲時(shí)間350 S后發(fā)生結(jié)冰，而超疏水的PDMS NPs/PDMS MPs-P25涂層延遲冰點(diǎn)時(shí)間延長(zhǎng)到600 S，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗結(jié)冰性能。
圖8（a-d）對(duì)涂層進(jìn)行了自清潔性能測(cè)試，將甲基藍(lán)粉末分散到玻璃基板和超疏水涂層中，在加入水后，玻璃板表面形成藍(lán)色的染料層而超疏水涂層的染料在與水結(jié)合后直接滾落下來(lái)，表現(xiàn)出良好的自清潔能力。且在自清潔后，超疏水膜仍呈現(xiàn)出高透明性。
此外，作者還對(duì)其進(jìn)行了光催化性能分析，純的玻璃基板在紫外光照射下其表面的油紅并未發(fā)生變化。而超疏水涂層表面的油紅在紫外照射6h后開(kāi)始降解，12h后顏色完全消失，表明了良好的光催化性能。
【總結(jié)】
作者以PDMS和TiO2為原料，通過(guò)兩步法制備得到具有機(jī)械化學(xué)強(qiáng)度和可逆潤(rùn)濕性的透明超疏水涂層。利用PDMS納米涂層的疏水性和PDMS- TiO2分級(jí)結(jié)構(gòu)的粗糙度，復(fù)合涂層呈現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性、高透明性、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性。此外，杰出的防冰、光催化降解和自清潔性能也使其智能窗戶、汽車擋風(fēng)玻璃等方面表現(xiàn)出巨大的潛力。
全文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472031874X
