兼具“類陶瓷”和“類聚合物”性質(zhì)(即聚合物陶瓷)的涂層在海洋工業(yè)、柔性電子設(shè)備中具有廣泛而又迫切的需求。例如：高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳、可折疊電子器件的防護涂層既需要具有高強度以抵御外界沖刷和磨損，還需要具有高韌性以緩沖沖擊能量和適應(yīng)于頻繁的彎曲。此外，將高透明性、自清潔等功能與聚合物陶瓷涂層相結(jié)合對于滿足日益增長的柔性顯示行業(yè)應(yīng)用需求非常重要。特別是，涂層的抗生物污損能力已引起人們廣泛的關(guān)注，因為附著在設(shè)備表面的細菌等微生物不僅會增加表面粗糙度、降低透明度和腐蝕設(shè)備表面，甚至會帶來傳播疾病的風險。因此，開發(fā)集透明、耐磨、自清潔、防污等多功能一體化的“多面手”聚合物陶瓷涂層具有重要應(yīng)用價值。

華南理工大學海洋工程材料團隊長期致力于特殊與極端服役環(huán)境高分子材料研究。近年來，圍繞高強韌“聚合物陶瓷”涂層開展了大量工作，先后制備了硅基柔性硬質(zhì)防污涂層、兩性離子基鋯-硅團簇交聯(lián)防污涂層等(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2011145; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 380)。最近，該團隊提出了一種具有通用性的“分步反應(yīng)，聚合賦能”策略，通過將以往溶膠-凝膠反應(yīng)分步驟進行(即先通過共水解-縮聚法等制備基本構(gòu)筑單元，再發(fā)生后交聯(lián)反應(yīng)），并引入“環(huán)氧-氨基”交聯(lián)體系，在室溫下即可制備體型聚硅氧烷高度交聯(lián)涂層(圖1)。

圖1. 分步反應(yīng)法制備多功能聚合物陶瓷涂層示意圖

在該體系中，硅氧烷納米團簇和聚合物網(wǎng)絡(luò)間的巧妙結(jié)合，使其具有高透明度(透射率>92%)、高硬度(6-7 H)、高耐磨性(超過200次鋼絲絨磨損)和高柔韌性(10 mm彎曲直徑，可以被多次彎曲而不開裂)等特點；同時，由于體系中含有低表面能聚二甲基硅氧烷(PDMS)和抗污性雙親性調(diào)聚物(S-FP)，該涂層還具有優(yōu)異的自清潔、抗油污和廣譜抗菌能力，即使經(jīng)過400次加速磨損后，該涂層上述性能仍然沒有降低 (圖2)。特別是，通過改變硅氧烷納米團簇前驅(qū)體或交聯(lián)劑組成可以很便捷地調(diào)整上述涂層的力學性能和防污能力。

圖2. 聚合物陶瓷涂層性能：(a) 透明性、耐磨性；(b) 柔韌性；(c) 抗菌性；(d) 自清潔性；(e) 應(yīng)用

該工作證明“分步反應(yīng)、聚合賦能”策略是一種簡單而又具有通用性的制備多功能聚合物陶瓷涂層的新方法。該策略對構(gòu)筑單元的結(jié)構(gòu)、有機-無機組分的比例以及交聯(lián)形式調(diào)控更為精確、便捷，可有效解決以往涂層存在的柔韌性與高強度無法共存、缺乏功能、可調(diào)控差等技術(shù)難題；所制備的涂層剛?cè)岵邚婍g、高耐磨、高透明、自清潔以及防污等多功能一體化，在海洋工業(yè)、柔性電子設(shè)備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以“Multifunctional Hard Yet Flexible Coatings Fabricated Using a Universal Step‐by‐Step Strategy”為題發(fā)表在Advanced Science上，華南理工大學碩士生張云聲為本文的第一作者，馬春風教授為本文的通訊作者。