第一作者：叶旭
通讯作者：王萍、胡冬梅
通讯单位：苏州大学、中科院苏州纳米所
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众所周知，荷叶的超疏水效应是通过其微米级凸起结构与覆盖在表面的蜡协同作用产生的。这种效应也成为目前制备超疏水材料的主流方法。本文基于荷叶的超疏水结构原理，设计了一种仿生复合材料。具体而言，先通过静电纺丝制备具有透湿透气性的纳米级纤维薄膜，利用静电喷雾直接在薄膜上构造出具有低表面能的微米级微球，通过微纳协同作用，形成超疏水薄膜。经过测试，薄膜拥有着优异的动静态接触角（水接触角：165°，滑动角：3°），以及超低的粘附力（13 μN）赋予其良好的自清洁性能。同时，由于微球与纤维之间的粘附力，使其在经过4000次拉伸以及5000次压缩后仍能保持其自清洁性能。除此以外，聚氨酯的化学稳定性也使薄膜有着优异的耐环境性，在冰水、热水、常温水、乙醇以及超声清洗机中浸泡24 h后，超疏水性能保持相对稳定。
研究背景
在过去的几十年里，随着科学技术的发展，人们对材料的要求逐渐向功能性和多样化发展。超疏水材料因其具有良好的自清洁、耐腐蚀、防冰、油水分离等性能而成为研究热点。通常，超疏水材料的制备可以分为三种类型: 1先构造粗糙结构，后进行低表面能改性; 2先低表面能改性，后构造粗糙结构; 3粗糙结构和低表面能改性同时进行。相较于前两种方法，第三种方法工艺简单，快速。但是其基材具有局限性，往往是具有低表面能的聚合物，如聚四氟乙烯，聚苯乙烯等，限制了应用范围。因此，本文通过在电喷雾溶液中加入环保、无氟的十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)，通过静电喷涂得到具有低表面能的TPU微球。为快速构造超疏水材料提供了一种新途径。
图文导读
图1超疏水TPU/HDTMS膜的制备工艺示意图
图2 (a)不同质量比(HDTMS:TPU)下的WCA; 以及SEM图像:(b) 1:3;(c) 1:4;(d) 1:5;(e)纯TPU微球
图3 (a) HDTMS/TPU(1:4)薄膜的SEM;(b)纤维直径分布;(c)微球粒径分布;(d)-(e)纯TPU薄膜和HDTMS/TPU薄膜的表面粗糙度;(f) Cassie-Baxter模型
图4 罗丹明B、亚甲基蓝和甲基橙染色的水滴“站”在薄膜上
图5 (a) HDTMS/TPU(1:4)膜的粘附力曲线;(b)-(e) TPU和HDTMS/TPU的自清洁行为
总结与展望
本文提出了一种能够同时实现表面粗糙度和低表面能的新策略，即通过电喷雾法制备HDTMS/TPU微球。同时，结合静电纺丝技术，制备了具有仿生层次结构的复合膜。它表现出优异的耐久性、机械性能、以及透气性和透湿性。这种薄膜能够满足一些特殊工作环境和日常生活中衣物的保护，且丰富了不同类型聚合物制备超疏水的途径。
通讯作者简介
王萍，苏州大学纺织与服装工程学院副教授。2012年博士毕业于东华大学（原中国纺织大学）纺织材料与纺织品设计专业。2011.09-2012.09赴University of California, Davis访学一年。长期从事高性能纺织结构复合材料以及功能性微纳米材料的结构设计与优化，近年来在ACS Appl Mater Inter, Cellulose, J Clean Prod, Polym Rev, Compos Part A-Appl S等期刊累计发表SCI检索论文50余篇，授权发明专利6项，实用新型专利10余项。
胡东梅，民主促进会会员，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副研究员，高技术处副处长，中科院青促会会员，轻量化实验室特种防护方向负责人，苏州市民进科技委员会委员。主要从事碳纳米管结构组装与性能调控、碳纳米管复合与界面等方面的研究工作，发展碳纳米管复合材料在轻质多功能力、电磁防护领域的应用。作为项目负责人承担国家重大/重点/预研、国家基金委、中科院重点部署等10余项。在Adv Mater, ACS Nano, Carbon, Compos Sci Technol等期刊发表论文30篇；申请中国发明专利26项，授权12余项；PCT专利1项，已获欧洲、日本授权。荣获省部级科技一等奖1项。