近些年來，超疏水表面在無損液體運輸、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。
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保持較高的透明度，或者不具備較強的機械強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)和機械極端條件，仍然是一個艱巨的挑戰(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附著力而成為構(gòu)建超疏水涂料的常用無氟聚合物粘合劑，并且通過熱處理和超聲處理，很容易將其制成納米級和微米級顆粒。同時，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現(xiàn)其表面可逆的疏水變化。因此，可以通過利用PDMS和TiO2微米/納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)來制備一種機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的涂層，同時實現(xiàn)其表面的高透明度和可逆潤濕性。
福州大學(xué)的賴躍坤教授團隊以PDMS和TiO2為原料，通過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械化學(xué)強度，在可見光區(qū)域下達到76%的光學(xué)透過率。此外，復(fù)合涂層具備優(yōu)異的機械和化學(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，在膠帶剝離測試30個循環(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，進一步增加涂層的黏著力和穩(wěn)定性。
作者對不同溫度下處理的涂層進行了形貌表征。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，形成了分級程度更明顯的PDMS/TiO2微-納米粗糙結(jié)構(gòu)。
通過紅外和TG對涂層進行表征，Si-O-Si和Si-CH3的伸縮振動峰的出現(xiàn)驗證了PDMS的成功引入。而在TG曲線中，PDMS在277.5 °C開始?xì)饣?50 °C開始降解，表明了在400°C進行熱處理有利于PDMS的氣相沉積。
作者對涂層在紫外光刺激下的表面潤濕性進行研究?？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°，并且可以通過在暗環(huán)境和熱處理的方式實現(xiàn)其可逆潤濕性的改變。隨著熱處理溫度和時間的增加，涂層在可見光下的透過率逐漸降低。
涂層在350°C熱處理2h的透過率達到81%，并且在噴涂處理后其透過率仍保持了76%的高透過率。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PDMS NPs/PDMS MPs-P25涂層的化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性進行了表征。
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。
作者通過水滴、沙子沖擊和粘結(jié)實驗驗證了涂層的力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明在不同的測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有出現(xiàn)明顯的破壞。此外，從動態(tài)水滴掉落實驗可以發(fā)現(xiàn)在機械處理后涂層表面仍保持優(yōu)異的超疏水特性。
作者對超疏水PDMS NPs/PDMS MPs-P25涂層的防冰性能、自清潔和光催化性能進行了分析。
在冷臺的作用下，涂層表面的溫度從20 C 降低到-12.5 C，同時采用紅外相機觀察表面水滴的相變和熱能變化。
當(dāng)水滴發(fā)生相變時，可以觀察到一個瞬時的溫度升高，將此時的時間與達到0 C的時間差稱為延遲冰點時間。
未改性的純玻璃基板在延遲時間350 S后發(fā)生結(jié)冰，而超疏水的PDMS NPs/PDMS MPs-P25涂層延遲冰點時間延長到600 S，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗結(jié)冰性能。
圖8（a-d）對涂層進行了自清潔性能測試，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，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，作者還對其進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，通過兩步法制備得到具有機械化學(xué)強度和可逆潤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
