近年來(lái)，仿生超疏水、超雙疏和超滑涂層等特殊潤濕性涂層、材料快速發(fā)展。然而，上述仿生特殊潤濕性材料普遍存在機械穩定性差、制備方法復雜昂貴、低表面能液體易粘附和基底材料性質(zhì)依賴(lài)性強等問(wèn)題，成為其實(shí)際應用的瓶頸因素。
在硅烷聚合物特殊潤濕性涂層、硅酸鹽黏土礦物及其納米復合材料方面的研究基礎上，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物應用研究重點(diǎn)實(shí)驗室研究員張俊平團隊，在基于硅烷和硅酸鹽黏土礦物的特殊潤濕性材料研究取得系列進(jìn)展，制備了性能優(yōu)異的硅烷聚合物納米纖維（SNFs）超雙疏、超滑涂層，粗糙表面硅烷聚合物穩定超疏水涂層，硅烷聚合物/黏土納米復合超疏水、超雙疏涂層和硅烷聚合物超疏水、超雙疏3D泡沫材料。
圖1.（a）基于長(cháng)鏈硅烷的SNFs透明超雙疏涂層和（b）蒸發(fā)導致的仿豬籠草超滑表面向仿荷葉超雙疏表面的轉變
SNFs超雙疏、超滑涂層
通過(guò)簡(jiǎn)單地控制甲基三氯硅烷的氣相沉積或液相聚合，可在各種表面上（如棉布、羊毛、絲綢、聚氨酯纖維、木材、醋酸纖維素、玻璃、石英、硅片、鈦合金和鋁箔等）形成SNFs超疏水涂層。然而，SNFs的制備局限于小分子硅烷，由于空間位阻較大，長(cháng)鏈烷基硅烷無(wú)法形成SNFs結構。通過(guò)引入正硅酸乙酯或四氯硅烷，減小聚合反應的空間位阻，首次采用長(cháng)鏈烷基硅烷制備SNFs，一步反應制備了透明超雙疏涂層（圖1a）。
通過(guò)將低表面能全氟聚醚液體鋪展于氟化處理的SNFs表面上，制備仿豬籠草超滑表面。研究表明，液滴在超滑表面上的運動(dòng)速度遠遠小于在超疏水表面上的運動(dòng)速度，而且表面的納米結構和傾斜角度、低表面能潤滑劑的黏度和液膜厚度及液滴的理化性能都會(huì )對液滴的運動(dòng)速度產(chǎn)生較大的影響。另外，對超滑表面上液體膜蒸發(fā)引起的仿豬籠草超滑表面向仿荷葉超雙疏表面轉變的過(guò)程進(jìn)行研究（圖1b）。研究發(fā)現，在向超雙疏表面轉變的過(guò)程中存在一個(gè)高粘附過(guò)渡態(tài)，各種表面能的液滴在該過(guò)渡表面上都處于Wenzel狀態(tài)，牢固粘附于表面，導致其喪失自清潔性，制約其實(shí)際應用。
粗糙表面硅烷聚合物穩定超疏水涂層
機械穩定性差是限制超疏水表面和超雙疏表面實(shí)際應用的瓶頸因素。為此，通過(guò)硅烷的篩選并控制反應條件，制得新型硅烷聚合物；采用浸涂法制備無(wú)氟穩定超疏水織物，具有優(yōu)異的耐摩擦、耐機洗和耐干洗性能（圖2a）。在此基礎上，通過(guò)與磁性納米粒子、光催化材料和多巴胺等結合，制備磁性油水分離海綿、光催化油水分離材料和自清潔抗生物粘附材料等（圖2b）。
圖2.（a）硅烷聚合物穩定超疏水織物和（b）特殊潤濕性薄膜用于水體凈化
硅烷聚合物/黏土礦物納米復合超疏水、超雙疏涂層
在上述研究工作基礎上，首次在硅烷聚合反應過(guò)程中引入凹凸棒石和碳納米管等纖維狀納米材料，合成一系列新型硅烷聚合物納米復合材料，在多種基底材料上制備穩定超疏水、超雙疏涂層，涂層表現出優(yōu)異的機械、化學(xué)和環(huán)境穩定性和一定的自修復性。研究表明，凹凸棒石在構筑超疏水、超雙疏涂層方面優(yōu)于膨潤土、海泡石和高嶺石等其他黏土礦物。在此基礎上，拓展了其在藥物控釋和液體彈珠（圖3a）等領(lǐng)域的應用，實(shí)現了空氣層調控的藥物控釋和不同表面能液體彈珠的可控制備。此外，通過(guò)控制硅烷在凹凸棒石表面的水解縮合反應，制備水性超疏水涂層，表現出優(yōu)異的綜合性能（圖3b）。
圖3.基于凹凸棒石的（a）超雙疏涂層和（b）水性超疏水涂層
瑪雅藍是一種具有艷麗色彩的有機-無(wú)機復合顏料，由凹凸棒石和一種來(lái)自植物的靛藍分子復合而成，古代瑪雅人將其廣泛應用于壁畫(huà)、陶器和雕刻中?，斞潘{具有優(yōu)異的穩定性，長(cháng)年累月的氣溫變化和潮濕的空氣也無(wú)法使它褪色。在前期類(lèi)瑪雅藍顏料和仿生自清潔涂層的研究基礎上，研究人員首次將類(lèi)瑪雅藍顏料與超疏水、超雙疏涂層相結合，制備了色彩豐富的自清潔（刺激-變色）類(lèi)瑪雅藍顏料和涂層（圖4）。超疏水、超雙疏涂層的引入，顯著(zhù)提高了類(lèi)瑪雅藍顏料的穩定性，并賦予其自清潔性能。
圖4.（a）基于類(lèi)瑪雅藍顏料的彩色超疏水涂層和（b）溶劑致變色自清潔類(lèi)瑪雅藍顏料
硅烷聚合物超疏水、超雙疏3D泡沫材料
與超疏水、超雙疏涂層不同，超疏水、超雙疏3D泡沫材料具有獨特的3D多孔結構，結合仿生涂層的特殊潤濕性和3D泡沫材料的多孔結構，在油水分離等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。目前，普遍采用表面涂覆的方式在傳統3D泡沫材料表面（如聚氨酯、三聚氰胺海綿等）引入超疏水涂層，超雙疏3D泡沫材料報道極少。為此，通過(guò)控制硅烷的水解縮合，經(jīng)一步反應或模板法制備了超疏水硅烷聚合物3D泡沫材料，表現出優(yōu)異的超疏水性能、穩定性和彈性（圖5a）。在此基礎上，通過(guò)氟硅烷的進(jìn)一步水解縮合，將其轉變?yōu)槌p疏硅烷聚合物3D泡沫材料，并進(jìn)一步提高其力學(xué)性能和耐溫性（圖5b）。另外，通過(guò)NaCl模板法制備了PDMS高強度3D泡沫材料。
圖5.（a）超疏水和（b）超雙疏硅烷聚合物3D泡沫材料
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