近日，青島科技大學(xué)華靜教授團(tuán)隊在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一區(qū)TOP，IF=18.5）發(fā)表了題為“Multi-Scenario Applications of Fluoro-Free Super Liquid-Repellent Particles Prepared Through Excluded Volume Effect”的研究論文（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410299）。博士生劉玉冬為該論文第一作者，華靜教授、劉凱教授為通訊作者，青島科技大學(xué)為第一完成單位。
超疏水材料以其優(yōu)異的拒液性和防污性在表面集水、防冰和自清潔等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但是，擁有最小表面張力全氟化合物在不同場景下都成為了首先的選擇，并沒有對其進(jìn)行理想的設(shè)計和選擇。這導(dǎo)致了全氟化合物的粗糙和泛濫使用，在人體血液和野生動物的血液中均發(fā)現(xiàn)的全氟化合物的積累，可能提高癌癥和心臟疾病等疾病的病發(fā)幾率。
利用無氟的橡膠柔性分子鏈的“排除體積”效應(yīng)對微納米粒子進(jìn)行包覆，成功制備超驅(qū)液粒子，可將其通過噴涂和浸涂的方法在不同基材（玻璃、木材和紙張）表面，并化學(xué)鍵合到表面，實現(xiàn)對材料低表面張力液體的防護(hù)，其抗污液體的表面張力為40~42 mN/m，實現(xiàn)了無氟材料文獻(xiàn)報道的最高水平。
具有優(yōu)異高彈性和耐磨性的橡膠材料，在汽車輪胎、密封件、鞋底等多個領(lǐng)域具有成熟的應(yīng)用。課題組對于聚丁二烯橡膠從結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際應(yīng)用具有了系統(tǒng)深入的認(rèn)知。基于此研究者通過調(diào)控聚丁二烯柔性分子鏈的微觀結(jié)構(gòu)，控制其在溶液中的行為，制備軟殼-硬核結(jié)構(gòu)的超疏水（超驅(qū)液）粒子。
a.具有軟殼-硬核結(jié)構(gòu)的疏水粒子制備示意圖; b. 粒子TEM圖片
研究者首先利用溶劑小分子將聚丁二烯高分子鏈進(jìn)行解纏結(jié)。利用柔性高分子鏈對無機(jī)粒子產(chǎn)生環(huán)繞效應(yīng)實現(xiàn)無機(jī)粒子的有效包覆，并利用排除體積控制其包覆厚度達(dá)到疏水改性效果。進(jìn)一步采用反應(yīng)定位能力強(qiáng)和反應(yīng)高效快速巰基-烯點擊反應(yīng)將高分子鏈迅速鉚釘在粒子表面，實現(xiàn)粒子超長效的疏水能力。
不同分子量聚丁二烯在不同溫度下的不同溶劑中包覆后的粒子粒徑
使用噴涂和浸涂兩種方法在玻璃、木材和紙張表面進(jìn)行超疏水表面的制備。SEM圖像顯示，超疏水表面具備多級的、豐富的微納米結(jié)構(gòu)，不僅在涂層表面形成了粒子堆疊的一級結(jié)構(gòu)，同時在粒子表面還有豐富的乳突結(jié)構(gòu)形成了二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)。
噴涂和浸涂兩種方法所制備的疏水表面的SEM圖像
可以實現(xiàn)對低表面能（42.6 mN/m）液體良好的拒液能力，接觸角均可達(dá)到150°以上，如圖。這可滿足絕大部分的油水混合場景（＞45 mN/m）所需要的拒液要求。
所制備超驅(qū)液表面的不同表面能液滴的接觸角
液滴的滯空時間越長，表面的驅(qū)液能力就越強(qiáng)，聚丁二烯所處理的表面高于目前常用的疏水改性劑，接近全氟化合物體系。
液滴在不同表面的彈跳行為
此超驅(qū)液粒子可以對表面張力低至中等的水基污染液體（44~60 mN/m）實現(xiàn)良好的拒液性的，而無需使用全氟烷基化合物（一種持久的環(huán)境和生物累積危害）。并且與涂層基體不僅具有良好的界面結(jié)合力，具有耐磨性和耐久性，同時可以循環(huán)使用，對于其復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)來說，這極大的降低了超疏水表面的使用成本。更重要的是，得益于柔性高分子鏈良好的運動性，疏水外衣是具有多變性的，可以實現(xiàn)對不同形狀和表面化學(xué)性質(zhì)的粒子（海泡石、蒙脫土、MAX和Mxene）進(jìn)行包覆，為利用不同粒子實現(xiàn)超疏水表面多功能化提供了解決思路。
論文題目：Multi-Scenario Applications of Fluoro-Free Super Liquid-Repellent Particles Prepared Through Excluded Volume Effect
論文作者：Yudong Liu, Xiaofan Zhu, Zhenhao Zhang （高分子學(xué)院本科生）, Jiahao Zhang（高分子學(xué)院本科生）, Shengkai Li, Liyun Guo, Jinhui Liu, Kai Liu*, and Jing Hua*
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410299
