基于超粒子构建的仿生超疏水涂层：一种无氟、可规模化且高机械稳定性的新型策略

本文提出了一种创新性的仿生超疏水涂层构建策略，通过喷雾干燥法制备具有分级粗糙度的超粒子（SPs）作为中间构建模块，结合烷基硅烷疏水改性，在聚合物底漆层上喷涂形成类荷叶表面结构。该方法避免了传统含氟化合物的使用，实现了静态接触角（CA）154°±1.3、接触角滞后（CAH）2°±0.6和滚落角（RA）5°的优异疏水性能，并通过烧结（900°C）和添加水玻璃粘结剂使涂层经受25次胶带剥离和15次磨损测试，为环境友好型超疏水涂层的规模化制备提供了新思路。

　　

超粒子构建的仿生超疏水涂层研究

1 引言

受荷叶（Nelumbo nucifera）表面微米级乳突（2-14μm）和纳米级蜡晶体（80-120nm）分级结构的启发，超疏水表面在防生物污染、抗结冰和防腐蚀等领域具有重要应用价值。传统制备方法常依赖含氟化合物或复杂工艺，且机械稳定性差。本研究创新性地采用超粒子（supraparticles, SPs）作为预组装的中间构建模块，通过简单喷涂工艺实现类荷叶分级结构的可控构建。

2 结果与讨论

2.1 超粒子的设计与制备

采用St?ber法合成200nm二氧化硅初级粒子，通过喷雾干燥组装成平均直径15μm的球形超粒子，精确模拟荷叶乳突尺寸。真空条件下用辛基三氯硅烷进行气相硅烷化，使SPs表面获得疏水性。SEM显示SPs表面由紧密排列的初级粒子构成，形成100nm级粗糙度，完美复刻荷叶蜡晶体纳米结构特征。

2.2 涂层性能优化

以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为底漆层时，单次喷涂即可实现154°±1.3的静态接触角，接触角滞后仅2°±0.6，5°倾斜角即可使水滴滚落。有趣的是，未筛分的宽分布SPs（跨度1.5）比筛分的窄分布SPs（跨度0.8）表现出更优异的抗水滴钉扎性能，这归因于不同尺寸SPs形成的更大高度差增强了Cassie-Baxter润湿状态。

2.3 机械稳定性突破

通过系统研究烧结温度对SPs内部结合力的影响发现：900°C烧结可形成Si-O-Si桥连结构，使涂层经受5次胶带测试；改用聚氨酯（PUR）底漆后，SPs脱落问题得到改善；添加0.1wt%水玻璃粘结剂后，涂层可承受25次胶带剥离和15次磨损循环。SEM显示失效模式从SPs破碎转变为界面剥离，证明机械稳定性得到显著提升。

3 结论

该研究建立了"SPs预组装-表面改性-底漆锚定"的新型涂层构建范式，解决了传统超疏水材料制备复杂、含氟有害、机械稳定性差三大痛点。通过调控SPs尺寸分布、烧结工艺和粘结剂添加，实现了性能可定制化的环境友好型涂层，为船舶防污、医疗设备等领域的实际应用提供了技术储备。

4 实验方法

4.1 材料制备

采用氨催化水解正硅酸乙酯（TEOS）合成200nm二氧化硅粒子，喷雾干燥参数：入口温度120°C，喷嘴直径1.4mm，氮气流量357L·h^-1。硅烷化处理采用0.1mbar真空度下24小时气相反应。

4.2 性能表征

使用Krüss DSA 100测量接触角（5μL水滴），倾斜台测试采用10μL水滴。机械稳定性测试包括：100g载荷下的Kimwipe组织磨损、Scotch Magic胶带剥离。酸性（pH1 HCl）和碱性（pH14 NaOH）环境测试验证涂层化学稳定性。

该研究通过巧妙的仿生设计将复杂的分级结构简化为可规模化生产的超粒子模块，其创新性的失效机制分析和稳定性提升策略，为功能性涂层材料开发提供了新范式。