自修復超疏水涂層研究進展

張茗珺，張琲瑤，李 鑫，金佳贏，王佳鈺，李海燕

（東北石油大學化學化工學院聚烯烴新材料省重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

超疏水涂層一般是指材料表面與水的接觸角（CA）大于150° 、滑動角（SA）小于10° 的化學涂層[1,2]。制備超疏水涂層，需在涂層表面用低表面能物質修飾微納結構，或者直接在低表面能材料表面構建微納結構[3,4]。由于超疏水涂層的優(yōu)異性能，超疏水涂層在防腐[5～7]、抗菌[8,9]、自清潔[10～12]、減阻[13,14]、油水分離[15～17]、防冰[18,19]等諸多領域都有著大量應用。但是，在超疏水涂層的使用過程中，其表面極易受到光、臭氧等氧化物質所造成的化學破壞以及外力作用導致的涂層破損而失效[20,21]。同時，隨著科學技術的飛速發(fā)展，只具有單一超疏水性能的材料也不能夠滿足工業(yè)發(fā)展的需要。這些因素限制了超疏水涂層的應用范圍。為了解決上述問題，研究學者致力于將自修復功能與超疏水涂層相結合，當超疏水涂層失效時，能夠在一定條件下自發(fā)地修復涂層的超疏水性能。根據自修復機理，可將超疏水涂層的自修復方式分為本征型自修復和外援型自修復。本文將介紹自修復超疏水涂層的制備方法及應用，同時對自修復超疏水涂層的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 外援型自修復超疏水涂層

外援型自修復超疏水涂層是指在涂層內外加了修復劑物質（微膠囊、微納容器、其它低表面能物質等）的涂層。當涂層表面的低表面能物質被破壞之后，涂層在外部環(huán)境刺激（溫度、光照、pH 以及機械外力等）下，其內部的低表面能物質從微膠囊或微納容器中釋放出來并向涂層表面破損區(qū)域遷移，從而重新恢復涂層的超疏水性能。

1.1 pH 引發(fā)自修復

pH 引發(fā)自修復是指涂層中添加的微膠囊等可以進行pH 響應釋放修復劑，通過調節(jié)pH 值來實現超疏水涂層的自修復。Ni 等[22]通過乳液誘導的界面各向異性組裝方法制備了一種聚二甲基硅氧烷（PDMS）負載的介孔聚多巴胺（MPDA）微球（PPDMS@MPDA MSPs） ， 將 所 制 備 的 PPDMS@MPDA MSPs 微球與水性樹脂和疏水二氧化硅納米顆粒進行混合制備了一種自修復涂層。該智能涂層通過使用無氟和具有生物相容性的MPDA、PDMS 和二氧化硅納米顆粒，展現了良好的超疏水性。當涂層被外力破壞時，涂層在近紅外光或pH 刺激下可直接自修復其超疏水性和抗生物污染活性。該超疏水涂層的自修復性能歸因于PPDMS@MPDA MSPs 在近紅外光或pH 刺激下釋放低表面能物質PDMS。在較低的pH 值下，PDA和PDMS 之間產生了靜電排斥，使PDMS 從P-PDMS@MPDA MSPs 微球中釋放出來進行自修復。用pH=1 的HCl 水溶液處理后，涂層的CA 和SA分別達到153.7°和7.9°，完全恢復超疏水性能。此外，該涂層在惡劣環(huán)境下，包括暴露在紫外線照射下和浸泡在鹽、強酸和強堿溶液中，也具有長期的自修復超疏水性能。

Chen 等[23]制備了一種基于pH 響應紫外光固化聚氨酯(PU)的智能自修復超疏水涂層。將PU 與含氟八維多面體倍半硅氧烷低聚物((F-OV-POSS)的混合物浸涂在原始織物上，再經紫外光固化形成自修復超疏水織物涂層。F-OV-POSS 單體在中性條件下具有疏水性，涂層表面的疏水性隨著涂層中F-OVPOSS 含量的增加而增加，當涂層中F-OV-POSS 質量分數為35%時，涂層CA 為156°、SA 為6.7°，具有超疏水性能。此外，pH-PU 中十二烷基二乙醇胺(LEDA)單體含量也至關重要，LDEA 鏈越多，對水的吸引力越大，當涂層浸入酸溶液中時，LDEA 鏈會發(fā)生質子化。因此，可通過改變pH-PU 樹脂中LDEA 單體的含量來進一步調節(jié)表面的超疏水性。此外，pH-PU 涂層可以通過pH 誘導LEDA 叔胺基鏈的質子化和去質子化來改變涂層表面超疏水性能，實現涂層pH 可控的油水分離。pH-PU 的LDEA 鏈的質子化作用，能夠在涂層表面形成一層水化層，使油無法滲透到織物中。涂層在酸性水溶液(pH=2)處理后，表面F 原子濃度從10.0%下降到7.3%、表面N 原子濃度從1.3%上升到3.7%，證明超疏水性能的改變是LDEA 鏈質子化和去質子化的結果。通過改變溶液的pH 值，涂層的超疏水性可循環(huán)恢復8 次。同時，涂層經過300 次的循環(huán)磨損，CA 仍然保持在152.8°；在洗滌60 次后仍能保持超疏水性能，CA 為151.7°。所制備的涂層在物理損傷、海水浸泡和紫外線照射后仍能保持超疏水性和自清潔能力。

1.2 溫度引發(fā)自修復

超疏水自修復涂層在破損后的自我修復主要是依賴涂層中的修復劑的自主遷移來實現的，熱處理是一種常見的應用于超疏水自修復涂層的方法。涂層中的修復劑在加熱后，可以快速地恢復涂層的超疏水性能。Zhang 等[24]采用沸水處理和聚多巴胺@十六烷基三甲氧基硅烷(PDA@HDTMS)納米膠囊沉積的方法在鋁合金上制備了具有自修復性能的超疏水表面。制備的超疏水鋁合金表面在各種環(huán)境下表現出優(yōu)異的耐久性和穩(wěn)定性，同時具有優(yōu)異的自清潔性能和耐腐蝕性。將沸水處理過的鋁合金板在60 ℃下浸入含有PDA@HDTMS 納米膠囊的溶液中24 h，在PDA@HDTMS 納米膠囊沉積在鋁合金上后，鋁合金表面的CA 達到155.3°±1°，滑動角為3°±1°。在放置12 個月后，CA 仍然可以達到153.9°，表明所制備的超疏水鋁合金具有良好的耐久性和穩(wěn)定性。超疏水表面在高溫熱處理后，CA 可以恢復到153.8°，SA 再次回到約3°。證明了鋁合金表面在超疏水方面具有良好的自修復能力。同時，這種等離子體溫度誘導的自修復能力是可重復的，至少可以重復10 個周期。Fig.1(a)展示了氧等離子體處理過程中自修復性能變化過程；Fig.1(b)表明鋁合金在氧等離子體和加熱處理過程中，CA 在大于150.9°和接近0°之間切換。鋁合金的自修復機理如Fig.1(c)所示，PDA@HDTMS 納米膠囊中的烷基鏈可以通過以烷基鏈的低表面自由能為基礎的熱處理再次成功遷移到PDA@HDTMS 納米膠囊的表面。經過熱處理后，長烷基鏈再次被引入鋁合金表面。同時在等離子體熱處理過程中，鋁合金表面的微納結構保持不變。因此，表面經過熱處理后又恢復到超疏水狀態(tài)。

Fig.1 Self-healing performance of superhydrophobic Al alloy surface

Yin 等[25]采用硫代乙酰胺(TAA)與硫酸鎳(NiSO4)的水熱反應和化學改性將肉豆蔻酸沉積在涂層表面，制備了一種可自修復的Ni3S2超疏水涂層。通過改變TAA 和NiSO4的添加量來改變涂層表面的微觀結構來調節(jié)涂層的潤濕性。表征證明當體系中TAA 含 量 為2.92 mmol、NiSO4含 量 為0.65 mmol 時，體系的超疏水性最佳。涂層浸泡在0.01 mol/L 十二烷基硫酸鈉溶液1 h 后，水滴在接觸到涂層表面時，會立即擴散。這是由于最外層的烷酸鏈被破壞，出現了大量的親水含氧基團，增加了表面能，導致潤濕性的轉變。該涂層在80 ℃加熱時僅20 min 即可完全恢復超疏水性，修復效率明顯提高。因為肉豆蔻酸作為一種修復劑，其長碳鏈易于移動，一旦最外層的肉豆蔻酸被破壞或受到機械損傷，內部儲存的肉豆蔻酸就會遷移到涂層表面，以減少表面能量。由于涂層的微觀結構和恢復的低表面能，損傷表面能夠恢復超疏水性。熱處理有利于肉豆蔻酸鏈的流動，使內部的肉豆蔻酸鏈迅速遷移到表面。即使將十二烷基硫酸鈉溶液的濃度提高到0.1 mol/L，只要延長加熱時間，也能恢復涂層的超疏水性。涂層的自修復功能還具有可重復性，經過6 次循環(huán)試驗后仍能保持超疏水性。

1.3 光引發(fā)自修復

pH 引發(fā)、溫度引發(fā)和外力引發(fā)等方法往往需要較長時間作用，涂層才能恢復超疏水功能。而光響應自修復超疏水涂層可借助紫外光、近紅外光等引發(fā)方式來快速修復涂層的超疏水性能。且光引發(fā)自修復可遠程操作，操作快捷方便，擴展了涂層的使用范圍。

Li 等[26]首先采用靜電吸附法將二氧化鈦納米粒子(TiO2NPs)吸附到包覆1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷(FAS-13)的微膠囊表面，得到紫外光響應型微膠囊。然后將紫外響應微膠囊與疏水二氧化硅NPs、炭黑NPs 和水性有機硅乳液混合制備了一種紫外光/近紅外光雙響應型自修復超疏水涂層，涂層的CA 約為154°、SA 約為2°，該涂層在紫外光和近紅外光照射下具有良好的自修復性能。疏水二氧化硅NPs 可以增加涂層的表面粗糙度，同時降低表面能。用O2等離子體刻蝕涂層，涂層表面變得親水，在紫外光照射下，涂層的CA 逐漸增加，在照射60 h 后達到150°，SA 下降到2°。且O2等離子體刻蝕-紫外光照射自修復過程可以重復多次。該涂層的自修復性歸因于疏水二氧化硅NPs 和包覆FAS-13 的紫外光響應微膠囊的協同作用。首先，紫外光輻照后，吸附在微膠囊表面的TiO2NPs 能夠降解微膠囊殼，使微膠囊殼上形成若干孔洞，釋放出FAS-13 遷移到涂層表面，自修復其超疏水性能。此外，經O2等離子體刻蝕后，未降解的微膠囊破損，也可以釋放FAS-13。FAS-13 殘留在未完全降解的微膠囊和完整的微膠囊中持續(xù)釋放到涂層表面，使涂層自修復具有可重復性。炭黑NPs 嵌入到涂層中，在近紅外光輻射下可以迅速產生大量熱量融化微膠囊并釋放FAS-13 遷移到涂層表面，涂層超疏水性在8 min 內完全恢復。紫外光照射能在較長時間內對整個涂層進行修復，而近紅外光照射能在較短時間內對涂層進行修復，但由于近紅外光源類似于“點光源”，只能修復一定區(qū)域的涂層，而不能修復整個涂層。因此，紫外光響應和近紅外光響應相結合，可以實現不同條件下超疏水涂層的自修復需求。此外，自愈超疏水涂層膜具有優(yōu)良的耐油、耐酸、耐磨損性能，在裝飾、建筑、電子、可穿戴設備等領域有著廣闊的應用前景。

2 本征型自修復超疏水涂層

大多數自修復超疏水涂層需要外部刺激釋放儲存在涂層內部的修復劑來引發(fā)自修復過程。但是，這些修復手段的修復程度不可控，有時不能修復完全或者在多次自行修復后喪失自修復功能。因此，應研究開發(fā)不需外部刺激，在室溫下即可自修復的超疏水涂層。本征型自修復是指通過涂層內部在分子水平上的自修復來恢復涂層的超疏水性能，其自修復過程是通過修復涂層中的可逆化學鍵（共價鍵或非共價鍵）來完成。超分子聚合物可以在室溫下自發(fā)反復的自修復[27]，具有明顯的優(yōu)勢，在自修復超疏水涂層中展現出良好的前景。

Li 等[28]設計了一種超分子聚合物N-配位聚二甲基硅氧烷(N-Boroxine-PDMS)作為涂層材料，涂層在具有超疏水性能的同時兼具良好的透明性、穩(wěn)定性和室溫自修復能力。如Fig.2(a)所示，首先采用席夫堿法，用2-甲酰基苯硼酸(PBA)修飾PDMS，再用硼氫化鈉還原，合成了N-Boroxine-PDMS 的單體PDMS-PBA，在苯硼酸鄰位上的N 給體使其形成配位的N-B 鍵，從而在室溫下無需路易斯堿的加入即可形成硼化物。如Fig.2(b)所示，通過溶劑蒸發(fā)，PDMS-PBA 逐漸三聚即可形成N-Boroxine-PDMS。將超分子聚合物N-Boroxine-PDMS 和7 nm SiO2納米粒子在乙醇溶液中混合，得到的N-Boroxine-PDMS/SiO2涂層可以輕易地噴涂在各種基材上，如玻璃、金屬、織物、木材、紙張和塑料，而不會影響其透明度或覆蓋表面圖案。制備的涂層具有良好的透光性，在550 nm 處的透光率為90.1%，超疏水性能良好，CA 為160.9°、SA 為1°。N-Boroxine-PDMS 的可逆性使得N-Boroxine-PDMS 在環(huán)境條件下通過PDMSPBA 遷移到受損表面，自發(fā)修復其受損的超疏水性。此外，由于N-Boroxine-PDMS 具有通過表面重組恢復其原始表面能的能力，所制備的涂層能夠在環(huán)境條件下自主、反復地修復過氧化氫或O2等離子體造成的化學損傷，大大延長了其使用壽命。在常溫下放置6 h 后，涂層的超疏水性自修復，CA 為160.1°±0.8°、SA 為1.0°±0.5°。在過氧化氫暴露和自修復15 個周期后，涂層的CA 和SA 依舊分別維持在158.4°±0.8°和6°±1°。N-Boroxine-PDMS 可逆交聯是實現N-Boroxine-PDMS/SiO2涂層自修復能力的關鍵。在O2等離子體刻蝕過程中，涂層表面最外層的N-Boroxine-PDMS 被分解，產生親水基團，使涂層變成親水涂層。該親水涂層具有強吸附環(huán)境水分的傾向，吸附的水分子促進了配位N-Boroxine 的解離，增加了PDMS-PBA 的流動性，之后，極性基團擴散到涂層的主體，使其表面能降低到最小值，而PDMS-PBA 則遷移到涂層的氧化區(qū)。隨著水的蒸發(fā)，PDMS-PBA 又逐漸三聚成N-Boroxine-PDMS，使受損的涂層超疏水性自主修復。

Fig.2 (a) Synthesis route of PDMS-PBA, (b) schematic of the formation of N-boroxine-PDMS from PDMS-PBA[28]

Cai 等[29]將聚硼硅氧烷(PBS) 溶液以真空澆注的方式滲透到多孔還原氧化石墨烯網絡中，制備了一種具有室溫自修復和超疏水能力的石墨烯/PBS 復合材料。該復合材料的CA 可以達到168°，證明該復合材料具有超疏水性能。所制備的復合材料在遭受多次損傷后，在沒有外界刺激的情況下可完全恢復其性能。如Fig.3 所示，當斷裂或損壞發(fā)生時，“固液”聚合物被釋放，PBS 之間的動態(tài)鍵的改變，以及毛細管力的作用，使破碎的網絡之間重新建立了物理連接。自修復后，聚合物被重新包覆在石墨烯網絡中。同時，該自修復過程是通過聚合物鏈和動態(tài)配位鍵之間的相互作用來驅動的，這意味著修復劑不會耗盡，自修復過程可以重復多次。在不施加額外壓力的情況下，只要簡單地接觸其表面，材料就能完全恢復其自修復性和力學性能。制備的石墨烯/PB 復合材料對廢水中的有機溶劑、油具有很高的分離能力，可用于污水處理和環(huán)境保護。

Fig.3 (a) Schematic of the graphene/PBS self-healing process; (b)key feature of PBS is its mild condition repair ability derived from the spontaneous formation of dynamic bonds between boron and oxygen on the silanol skeleton. This reversible healing is faster and does not need external conditions; (c) schematic of PBS formation originating from boric acid and poly(dimethylsiloxane)[29]

3 自修復超疏水涂層的應用

3.1 防腐蝕

腐蝕是導致金屬使用壽命縮短的嚴重問題。在金屬表面涂覆超疏水涂層是防止金屬腐蝕的有效方法。將超疏水涂層噴涂在金屬基體表面，在涂層與液體的接觸界面，液體很容易從涂層上滾下來，涂層與液體的接觸面積和接觸時間明顯減少，抑制了腐蝕介質的運動。因此，超疏水涂層可以有效地阻止或延緩腐蝕介質對金屬的滲透腐蝕。同時涂層具有自修復功能，可以大幅度地提高涂層的有效使用壽命。

Zhang 等[30]通過將含有蠟微顆粒的形狀記憶聚合物（SMP）乳液和緩蝕劑苯并三唑(BTA)刮涂到鎂合金上，然后將氟化凹凸棒土(ATP)懸浮液噴涂到SMP-BTA 涂料上，制備了2 層自修復超雙疏涂層。由于SMP-BTA 涂層和氟ATP 涂層的協同作用，2 層自修復超雙疏涂層對鎂合金具有長期有效的耐腐蝕保護作用。此外，該涂層對各種物理損傷表現出良好的自修復能力，可經受10 次相同位置刮擦/自修復循環(huán)而恢復期超疏水性能。自修復SMP-BTA涂層中的BTA 抑制劑溶解在鎂合金表面，在浸泡試驗過程中形成保護層，從而延緩了腐蝕的發(fā)生。自修復SMP-BTA/氟ATP 涂層具有優(yōu)異的防腐性能，可以承受60 d 的浸泡。中性鹽霧試驗中腐蝕產物的產生阻礙了物理劃痕的閉合，使得SMP 涂層難以恢復其初始的防腐性能。而緩蝕劑BTA 的加入在一定程度上延緩了腐蝕的發(fā)生。所以即使SMP-BTA涂層損壞后沒有及時修復，涂層仍然有一定的防腐蝕效果。由于SMP-BTA 層和氟ATP 層的協同效應，底層SMP-BTA 層通過BTA 釋放抑制腐蝕，頂層氟ATP 層通過在固液界面發(fā)揮作用，有效防止腐蝕性電解質滲透到涂層中，防止金屬基體的腐蝕。

Uzoma 等[31]分別以氟硅烷為芯材、脲醛為殼材，所制備的含氟硅烷微膠囊涂層在空氣中放置1 d后，微膠囊內部的氟硅烷由于其高揮發(fā)性向外表面擴散，從而引發(fā)涂層表面改性，接觸角增加到150°，使涂層具有超疏水性能。將微膠囊與GK570 樹脂混合后噴涂在LY12 鋁合金基體上。從電化學測試中可以觀察到，涂層為金屬基體提供了良好的防腐蝕保護，電解質進入涂層基體界面導致電化學阻抗值下降，由于微膠囊中氟硅烷的釋放，電解質的滲透受到阻礙，腐蝕過程受到明顯抑制，同時抑制腐蝕性物質進入涂層，從而防止金屬基體進一步腐蝕。此外，在浸泡4～360 h 期間，電阻和電容弧的頻率相同，證實了涂層抗電解侵蝕的穩(wěn)定性。

3.2 自清潔與防污

自清潔現象與去除涂層表面的污垢有關，使涂層能夠應用于各種場合。當賦予涂層超疏水性時，水滴可以在涂層表面滾動，污物很容易附著在水滴上滾落，污染物不易附著在涂層表面，使涂層能夠保持長期的潔凈狀態(tài)。在海洋材料使用過程中，當材料接觸海水時，微生物(細菌)、真菌、硅藻和納米顆粒會聚集在其表面，形成生物膜，生物膜能改變涂層的形態(tài)，最終導致金屬腐蝕[32]。超疏水涂層逐漸成為一種適用于防污涂層的材料，超疏水涂層的低表面能和粗糙結構，能夠抑制污垢的附著，防止生物膜的形成。

Zhang 等[33]使用氧化鋁顆粒來構建粗糙的微納結構，水溶性氟表面活性劑和氟化烷基硅烷作為低表面能材料，采用噴涂或浸漬的方法獲得超疏水涂層。所制備的涂層在不同基質(玻璃、木材、纖維、塑料和金屬)中顯示出優(yōu)異的超疏水疏油性能。當納米粒子與微米粒子的質量比為7:1 時，所得涂層具有最佳的超疏水和疏油性能，同時具有優(yōu)異的自清潔性和較高的耐久性。涂層對不同pH 值的溶液均具有良好的耐久性、耐磨性，此外制備的涂層具有自修復功能，該功能可通過逐漸釋放儲存在涂層表面的疏水小分子實現，涂層在老化后可以在外界刺激下再生超疏水性能，以延長其壽命。由于該涂層具有優(yōu)良的超疏水和疏油性能，在自清潔和防污方面具有廣闊的應用前景。

Zhu 等[34]通過簡單環(huán)保、低成本水熱反應在鋁合金基體上原位制備了Zn-Al 超疏水涂層。同時將硬脂酸(STA)通過物理吸附和化學鍵合與涂層結合，制備了一種具有微納結構的鋅鋁層狀雙氫氧化物自修復超疏水涂層。涂層的CA 為157.5°±0.5°、SA小于3°。涂層放置8 周后，涂層的平均CA 為156.4°±0.7°、平均SA 為4.8°±0.9°，表明該涂層仍保持了良好的超疏水性能。當涂層表面的硬脂酸分子被破壞時，涂層內部的硬脂酸分子會逐漸遷移到涂層表面恢復涂層的超疏水性能，高溫環(huán)境會加速涂層的遷移過程。氧等離子體刻蝕后涂層在室溫下5 d 后可恢復超疏水性能，在100 ℃下9 h 即可恢復超疏水性能，涂層經氧等離子體刻蝕損傷后，可自發(fā)恢復7 次。超疏水涂層使鋁合金表面具有良好的低附著力和自清潔性能。用水珠與涂層上固體污染物進行自清潔性能測試，當去離子水滴加到被污染的涂層上，水滴與污染物一起滾離涂層，實現自清潔。該超疏水涂層還可減少鋁合金基體與腐蝕性介質的接觸，有效提高鋁合金在惡劣環(huán)境中的耐腐蝕性。超疏水涂層賦予鋁合金基材低附著力、自清潔和耐腐蝕性能，同時涂層具有良好的高溫穩(wěn)定性、耐酸堿性、機械穩(wěn)定性和耐久性。

3.3 其它應用

自修復超疏水材料還在油水分離、防冰等領域有著廣泛的應用。工業(yè)含油廢水的處理以及油水混合物的分離是現今超疏水涂層的研究熱點之一。超疏水涂層具有疏水性以及親油性，能夠實現油水分離，引起了極大關注。Sam 等[35]采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、ZIF-90 和氟烷基硅烷(FAS)在亞麻織物上浸涂制備了改性亞麻織物，涂層的CA 為151°。對油水乳狀液表現出良好的分離性能，分離效率最高可達99.5%，分離通量為1213 L/(m2·h)。改性后的織物具有良好的循環(huán)利用性，可重復利用10 次，在機械耐久性和化學穩(wěn)定性測試中表現出良好的穩(wěn)定性。底層的PDMS 作為修復劑，與基材結合良好，表面能低，ZIF-90 表面積大，熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好，涂層在織物基材上形成良好的層次結構，具有良好的化學穩(wěn)定性和自修復性，并表現出Wenzel 潤濕狀態(tài)(油滲透)和Cassie-Baxter 狀態(tài)(水排斥)。如Fig.4 所示，當乳液與改性織物接觸時，由于改性織物的超疏水性，油易于滲透被收集起來。許多微小的乳化水滴相互碰撞，聚合成大水滴，停留在改性織物表面。這種改性織物能夠阻止水滴進入，這使得該改性織物在用于油水分離時具有較高的分離效率和分離通量。對改性后的織物進行熱處理，底層的愈合劑PDMS 遷移到涂層表面恢復超疏水性。涂層自修復后的分離效率保持在98%以上。該自修復超疏水改性織物能有效分離各種油水乳液，對工業(yè)廢水處理具有重要意義，在油水乳狀液分離中有著廣闊的應用前景。

Fig.4 PDMS/ZIF-90/FAS coated fabric oil/water separation process[35]

Fu 等[36]采用兩步法硫醇反應合成了一種新型氟化聚氨酯(FPU)，并通過引入SiO2納米粒子制備了一種自修復超疏水涂層。合成的SiO2-FPU 樹脂具有良好的穩(wěn)定性，可應用于多種基材。所得涂層的氟含量從上到下呈遞減趨勢，氟烷基鏈大量聚集在涂層外表面。由于氟烷基鏈的高柔韌性，涂層能迅速自修復。極低的含氟量使涂層具有優(yōu)異的力學性能和超疏水穩(wěn)定性，同時降低了制備成本。在添加SiO2納米粒子后，FPU 基涂料在玻璃、織物、紙張、木材和塑料等基材上表現出良好的超疏水耐久性和較高的基材附著力。聚氨酯鏈有較大的向涂層內移動的趨勢，而氟烷基鏈則傾向于停留在涂層上表面并有向上表面遷移的傾向。隨著溫度的升高，氟烷基鏈容易遷移到涂層表面，從而恢復超疏水性。在高溫135 ℃條件下，損壞的涂層可以在1 h內恢復到超疏水狀態(tài)。除自清潔外，SiO2-FPU 涂層的靜態(tài)和動態(tài)防結冰性能表明，該涂層具有良好的延遲結冰能力。SiO2-FPU 涂層延冰性能可達8 min，是純樣的7 倍左右。對于超疏水表面，由于液-氣接觸面積大，液-固接觸面積小，在一定時間內熱量損失減少，從而延遲了水滴結冰。同時由于水滴在SiO2-FPU 表面的快速滾動，避免了冰的形成。在SiO2-FPU 涂層上進行了10 個循環(huán)的凍結-實驗，CA均大于160°。

4 結語

與具有單一功能的超疏水涂層相比，自修復超疏水涂層同時具有超疏水性和自修復性，能使其使用壽命得到顯著延長，同時也可減少材料維修的人力物力。雖然自修復超疏水涂層的研究已經取得了一定的進展，但是能夠進行工業(yè)化生產的自修復超疏水材料還不是很多，這主要是因為自修復超疏水材料的制備過程復雜，導致其生產成本較高，不利于工業(yè)化生產；應注重提高自修復超疏水涂層的力學強度和耐久性；制備的超疏水涂層多為具有低表面能的含氟類物質，但氟對環(huán)境污染嚴重，需研究開發(fā)綠色環(huán)保的新型超疏水涂層；同時，應開發(fā)可以同時自發(fā)修復低表面能及表面微納結構的自修復超疏水涂層；此外，部分自修復超疏水涂層的修復機理尚不明晰，應繼續(xù)深入研究超疏水自修復機理，這樣才能從根本上完善自修復超疏水涂層的制備工藝。自修復超疏水涂層已經在諸多領域展現出廣闊的應用前景。因此，對自修復超疏水涂層進行持續(xù)研究具有重要的理論意義和實用價值。