豐富多彩的大自然為材料領(lǐng)域科學(xué)研究提供了源源不斷的靈感。例如，研究者模仿荷葉等植物的疏水葉面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了各種超疏水涂層或材料表面的構(gòu)筑。研究表明，材料表面的微納結(jié)構(gòu)和表面材料的低表面能特性是構(gòu)筑超疏界面的關(guān)鍵因素。含氟聚合物材料，如聚四氟乙烯（PTFE）作為典型的低表面能材料被廣泛的應(yīng)用于不粘鍋涂層、化學(xué)反應(yīng)設(shè)備防腐涂層以及高耐候防腐涂層等不同應(yīng)用領(lǐng)域。近來，如何基于仿生原理賦予PTFE材料微納結(jié)構(gòu)，以進一步提升其疏水性能、拓展其應(yīng)用范圍成為超疏材料領(lǐng)域研究熱點之一。

近日，臺灣中興大學(xué)的薛涵宇（Han-Yu Hsueh）博士等研究者從自然界中具有多功能性植物葉片表面結(jié)構(gòu)汲取靈感，通過將PTFE乳液（顆粒）噴涂在傳統(tǒng)聚合物聚苯乙烯（PS）基底形成多孔粗糙結(jié)構(gòu)，進一步基于PS基底的誘導(dǎo)收縮形成微米尺度的表面褶皺結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)筑水接觸角＞167°、滾動角＜5°的超疏水涂層。該新型超疏水涂層具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，在自清潔、防污、減阻涂層方面具有重要的應(yīng)用。

植物葉片表面的疏水微納結(jié)構(gòu)。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

寶島臺灣許多濕地植物的葉片表面都呈現(xiàn)強疏水性。SEM表征顯示其葉面分布著微米級的褶皺結(jié)構(gòu)以及亞微米的粗糙結(jié)構(gòu)，由此賦予葉片表面去潤濕特性以抵抗病菌、灰塵等在葉面的附著。基于仿生上述微納復(fù)合疏水結(jié)構(gòu)，研究團隊選用商業(yè)化的PTFE為低表面能材質(zhì)（表面能18 mN m-1），通過將PTFE乳液噴涂在傳統(tǒng)聚合物PS基底表面構(gòu)筑多孔疏水結(jié)構(gòu)，進而通過熱誘導(dǎo)基底收縮形成褶皺結(jié)構(gòu)，簡便的“copy”了濕地植物葉面形貌。

仿生葉面結(jié)構(gòu)過程示意圖。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

PTFE乳液噴涂在PS表面，熱處理前PTFE由TMN-10表面活性劑包覆形成相對光滑表面；在熱處理過程中TMN-10逐漸遷移到底部同時PS收縮60%從而誘發(fā)表面多級褶皺形成（1級、2級皺紋周期分別為~20 μm、5 μm），表面PTFE顆粒呈緊密排列分布。熱誘導(dǎo)處理30 min后材料表面水接觸角高達~167°、滾動角~2°，且能夠保持長期疏水穩(wěn)定性。

熱誘導(dǎo)構(gòu)筑表面微納復(fù)合疏水結(jié)構(gòu)。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

同時，研究者發(fā)現(xiàn)PTFE乳液的固含量對最終形成微納結(jié)構(gòu)及其表面疏水性有著重要影響。當PTFE乳液濃度為30 v/v%時，所構(gòu)筑表面疏水性達到最優(yōu)，所形成PTFE膜厚約為570 nm。

PTFE濃度對仿生材料表面疏水性的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

該方法構(gòu)筑的仿生超疏水涂層具有卓越的抗污、耐腐蝕、耐紫外以及耐高溫性能；在苛刻的酸堿（浸泡）、油（浸泡）、UV（254 nm, 3.3 mW cm-2輻照 24 h）以及從室溫到100℃的寬溫域條件下仍能夠保持初始超疏水性能（水接觸角＞160°）。

仿生涂層卓越的性能穩(wěn)定性。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在機械穩(wěn)定性方面，通過對涂層表面施加不同負載（1~4 kg W/cm2）的循環(huán)物理磨損測試，其表面仍能保持良好的涂層完整性。4 kg W/cm2高負載磨損使得材料表面粗糙結(jié)構(gòu)遭到部分損耗，但其表面水接觸角仍高達147°、維持強疏水性。

涂層機械穩(wěn)定性測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

該仿生涂層由PS、PTFE及表面活性劑構(gòu)成，在低于200℃條件下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在低于500℃條件下能夠維持主體樹脂基體的穩(wěn)定性。該優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使其在寬溫域應(yīng)用環(huán)境下具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。此外，該仿生涂層的超疏水、超低表面能特性賦予涂層優(yōu)異的抗污、自清潔性能，能夠有效的抗拒甲基藍等染料的污染。

仿生涂層耐熱性及自清潔性能測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

總結(jié)

該研究通過仿生植物表面復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，簡便構(gòu)筑了PTFE基超疏水涂層。該仿生涂層在耐候性、耐腐蝕性、耐高溫性以及耐磨損等方面展現(xiàn)出卓越的性能。相較于傳統(tǒng)的商業(yè)化PTFE涂層而言，該研究成果中PTFE基涂層疏水性的顯著提升將極大地拓展PTFE基涂層的應(yīng)用范圍；同時也為涂料領(lǐng)域其他低表面能含氟樹脂（如ETFE）的大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用提供了思路。