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AFM：基于表面引发乳液聚合在水中制备可控的超疏水表面

文章来源：高分子科学前沿更新时间：2023-02-08 14:55:57

近年来，超疏水表面因其优异的性质，在化工、生物、医疗、新能源等领域有着广泛的应用。传统的超疏水表面制备方法往往需要使用合适的有机溶剂和表面改性的特殊仪器，例如蚀刻机、纳米压印机等。然而有机溶剂的使用对环境和人体健康有害，特殊的改性仪器限制了超疏水表面在受限环境和精细表面上的制备和应用。因此，在复杂条件下、水环境中制备超疏水表面仍是一个巨大的挑战。

近日，加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授团队提出了一种不使用特殊仪器、在水环境中通过表面引发乳液聚合的方法，在表面将含氟单体纳米液滴转化成固体微粒，从而成功制备出超疏水表面。该表面不仅具有良好的超疏水性、稳定性和防污性能，而且可以通过控制反应时间和单体液滴密度获得不同疏水性的表面。

基于此，具有疏水性梯度的超疏水表面也在单体-水乳液体系中被成功制备。相关工作以“Fabricating Tunable Superhydrophobic Surfaces Enabled by Surface-Initiated Emulsion Polymerization in Water”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。龚露博士为该论文第一作者。

超疏水表面表征和性质

制备的超疏水表面在空气中具有很大的接触角和很小的接触角后滞现象。如SEM和EDS图所示，超疏水表面分布有大量含氟的固体纳米微粒，同时固体微粒聚集成微米级别的结合体，从而使表面获得优异的超疏水性。因含氟表面有极低的表面能，该表面还拥有较好疏油性。表面水洗实验和水滴表面力测力实验证明该表面具有良好的表面防污性能。

图A为超疏水表面制备流程，图B为超疏水表面，图C为空气中水接触角，图D为前进和后退接触角，图E为超疏水表面浸没在水中。

图A、B为超疏水表面的SEM图，图C为超疏水表面的氟元素分布EDS图，图D为各种有机溶剂在超疏水表面的接触角。

图A为水滴洗去超疏水表面的固体，图B、C、D为含表面活性剂或生物质的水滴与超疏水表面的作用力测量。

超疏水表面制备过程

通过控制乳液体系中单体液滴浓度和反应时间，不同疏水度表面可以被制备出来，而较高单体浓度体系和较长反应时间是制备超疏水表面的必要条件。

图A、B、C为高单体液滴浓度下不同反应时间后制备的表面，图D、E、F为低单体液滴浓度下不同反应时间后制备的表面。

同时，实验发现当单体液滴在水中分散不充分，液滴较大时，制备的输水表面会出现拥有三条棱脊的壳层结构；而当单体不分散，直接滴在基底上时，则会得到一层含氟的高分子薄膜。上述结果证明了在反应过程中，聚合反应只发生在单体-水界面。当单体液滴体积较小时，整个液滴可以转化成固体；当液滴较大时，则只有界面处会发生聚合反应，其内部依旧是液体形态。

图A、B、C为较大单体液滴情况下出现的壳层结构，图D为单体液滴与表面分开情况下制备的表面，图E、F、G为单体液滴不分散情况下在表面形成的聚合物薄膜，图H为表面引发乳液聚合法制备超疏水表面的示意图。

基于以上结果，实验通过重力场，构建了单体液滴在水中垂直方向上密度分布的差异，从而得到了具有疏水性梯度的超疏水表面，该表面可以实现水下的气泡定向运输。

图为制备具有疏水性梯度的超疏水表面以及水下气泡在该表面上的移动。

该研究不仅避免了超疏水材料制备过程中溶剂和设备的限制，提供了智能材料制备的新思路，而且成功制备出了具有疏水性梯度的超疏水表面，扩展了超疏水材料的应用范畴。

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