【材料】性能优越，简便实用：基于计量硅烷化反应的多功能超疏水涂层
超疏水涂层在多个领域有着巨大的应用潜力，例如自洁净衣服、木质外墙防水、建筑防冰、玻璃防雾等。最近的行业报告预测，从2021年到2026年全球防水涂层市场将会保持9.2%的年增长率。因此疏水涂层的研究具有极其重要的实用意义以及广袤的应用前景。
迄今为止，超疏水涂层制备方法主要依赖于在已有的在粗糙表面（蜡烛灰、石墨烯、碳纳米管、纳米二氧化硅/二氧化钛颗粒等）嫁接低表面张力涂层（主要为氟硅烷）或者在低表面张力材料表面（PDMS、塑料、Teflon等）用刻蚀、塑形等方法增加表面粗糙度。由于存在制备工艺复杂、适用范围有限、操作步骤繁琐等原因，绝大多数超疏水涂层都难以成为实用的产品。因此，目前市面上可选择超疏水涂层有如下缺点：（1）疏水性偏低（接触角远低于150度，大部分在80-120度，且滑动角度很高）；（2）原材料含氟，生产及应用都对环境造成影响；（3）原料及生产成本过高。而完美实用的超疏水涂层须满足以下特点：疏水性好，性能稳定以及机械耐磨性强；在实际应用过程中要求操作方便、价格便宜、环保并可大规模生产。因此研发一款可以满足以上性能的超疏水涂层具有重大的科研意义以及应用价值，同时也极具科学挑战。
图1. 制备过程以及表面微观结构的表征。图片来源： Nat. Commun.
针对目前超疏水涂层存在的问题， Simon Fraser大学于化忠教授团队开发了一种 基于计量硅烷化反应的超疏水涂层的制备技术。通过化学计量学精确控制长链有机硅烷的水解和聚合，仅需一步反应就能合成出类似于荷叶表面的多级粗糙结构，同时具有较小的表面张力。涂层材料可以良好地分散在普通的工业溶剂中，通过简单地浸泡或喷涂操作，在不同材质、不同尺寸的基底上获得优异的超疏水性能（超高水接触角>170°和超低滑动角<1°）。
相较于其他超疏水涂层，该技术主要具有以下优点：
1. 制备简单、价格低廉：涂层采用市面上已经大规模生产的有机硅烷作为原料，在常温常压下普通机械搅拌即可完成反应；反应本身高效、可控。
2. 疏水性能卓越：水接触角170度左右，滑动角低于1度，迟滞角度低于1度，具有良好的自洁净作用。
3. 耐磨性高、稳定性好：涂层在实验室条件下经过沙砾冲击、自来水冲洗、长时间浸泡、砂纸研磨等测试后仍具有超疏水性。喷涂后放置于普通环境中，实测超疏水性能可保持一年半以上。
4. 使用方便：可采用浸泡或者喷涂的方法作用于待处理材料表面；已在木材、玻璃、棉布、滤纸、铝片、塑料等材质表面测试，疏水性能卓越、优异。
5. 涂层具有非常独特的包裹能力，在其他领域具有极大的拓展潜力。
图2. 多功能涂层的性能测试与展示(包裹特性、自清洁、耐磨、大规模应用)。图片来源： Nat. Commun.
上述成果近期发表在 Nature Communications ，文章的第一作者是 张立身博士，合作作者为硕士研究生 周冠臣、 孙若晨以及 陈硕华，通讯作者为 于化忠教授。该研究得到加拿大NSERC等项目的资助，并已申请专利保护，“Hydrophobic and superhydrophobic coatings and methods thereof” (US provisional patent application: No. 63/141,885)。
Functional and versatile superhydrophobic coatings via stoichiometric silanization
Lishen Zhang, Alvin G. Zhou, Brigitta R. Sun, Kennedy S. Chen, Hua-Zhong Yu
Nat. Commun., 2021, 12 , 982, DOI: 10.1038/s41467-021-21219-y
于化忠教授介绍
于化忠，加拿大Simon Fraser大学教授。1991年毕业于山东大学，1997年在北京大学获得理学博士学位；之后在加州理工学和加拿大科学院完成博士后研究工作。研究方向为材料化学和分析化学，发表高质量研究论文超过150篇（包括 Nat. Commun.；Acc. Chem. Res.；J. Am. Chem. Soc.；Angew. Chem. Int. Ed .）；发明专利15项。现任 Analyst （RSC）副主编，太原理工大学特聘兼职教授。
https://www.x-mol.com/university/faculty/49887
张立身博士介绍
张立身，现任加拿大Queens大学博士后研究员。2013年毕业于山西大学化学系，2020年在Simon Fraser大学取得博士学位。主要从事超疏水涂层，微流控分析以及基于手机的分析检测等领域。在 Nature Communications，ACS Applied Materials and Interfaces 等期刊发表多篇论文。
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