多功能超疏水游泳镜：兼具高效减阻与自清洁驱动光学恢复，面向高性能水上运动装备

《Materials & Design》：Multifunctional superhydrophobic swimming goggles with efficient drag reduction and self-cleaning-driven optical recovery: toward high-performance aquatic sports equipment

　　

研究人员开发了一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）改性环氧/纳米二氧化硅（SiO2）复合涂层，兼具高光学透明性、超疏水性及长期耐久性，为超疏水技术在水上光学运动装备中的应用提供可行路径。通过两步法以环境友好型新癸酸铋为催化剂，硅烷偶联剂KH560共价桥接端羟基PDMS与E51环氧树脂，实现低表面能PDMS链段与机械强健环氧网络在分子级整合，抑制宏观相分离并保留光学清晰度；疏水气相二氧化硅纳米颗粒（HB139）经超声分散均匀嵌入树脂基质，构筑类荷叶分级微纳粗糙结构。所得涂层静态水接触角（WCA）达162.16°、滑动角（SA）2.11°，经2000 g落沙、1.5 MPa水射流、48 h紫外辐照、次氯酸钠浸泡及加速热老化后超疏水性保留。水动力学测试显示部分及完全浸没下摩擦拖曳约降低31%；涂层可排斥不少于十类真实泳池污染物（汗液、雨水、碳酸饮料等），自清洁使透光率恢复约95%。该研究将超疏水性、自清洁、高效减阻与耐久性集成于游泳镜单一平台，为提升装备性能与降低成本提供可行路线，并具向更广体育器材拓展的前景。

研究背景方面，超疏水表面通常指水接触角（WCA）超过150°且滑动角（SA）低于10°的表面，其优异斥水性、自清洁与减阻能力源于低表面能化学与分级微纳粗糙结构的协同，可由Cassie–Baxter模型描述。尽管超疏水在防冰、船舶推进器等工程领域已有广泛研究，但在运动器材尤其是游泳镜上的应用仍不充分。游泳镜在实际使用中因皮肤与冷水温差产生内镜片冷凝雾化的安全问题，传统亲水防雾涂层（如聚乙烯醇或表面活性剂体系）耐久性差、需频繁重涂；而超疏水涂层可借界面气垫（plastron）形成滑移边界，同时抑制雾化、维持动态自清洁。论文发表在《Materials》。

关键技术方法上，研究人员以聚碳酸酯（PC）镜片为基材，采用新癸酸铋催化KH560与端羟基PDMS缩合接枝，再与E51环氧在乙酸正丁酯中滴加反应构建PDMS–环氧杂化树脂（PDMS-EP），引入疏水气相SiO₂（HB139）超声分散造粗，加D-230固化剂喷涂成膜，经室温至100℃四段程序固化得15–25 μm厚涂层。表征依托扫描电镜（SEM）、三维形貌仪、傅里叶变换红外光谱（FTIR）；润湿与自清洁用接触角仪、高速摄像滴弹实验；减阻在自制平移拖曳平台以力传感器测部分/全浸没蒸馏水与模拟海水下拖曳力；耐久性含砂纸磨、落沙、水射流及热、紫外、NaClO浸泡；光学透光以氙灯-光伏板电压法间接量化静态透光、循环稳定性与自清洁恢复。

研究结果部分，3.1节涂层制备表明PDMS-EP共价杂化使低表面能链段锚定环氧网络，避免有机硅迁移，配合HB139分级粗糙达成Cassie态。3.2节表面表征中，SEM/EDS见涂层Si均匀分布的微纳聚集，三维粗糙度Sa由0.14 μm升至1.32 μm、Sz由1.75 μm升至15.41 μm；FTIR在1000–1100 cm^-1出现Si–O–Si/Si–O–C/Si–C合包络，证实KH560桥接与PDMS化学锚定。3.3节润湿与自清洁显示对蒸馏水、雨水、茶、牛奶、可乐、果汁、啤酒、咖啡、皂水、模拟汗液等十种液体CA>150°、SA<5°，细沙与石墨粉被滚滴携除。3.4节滴落回弹在0、15、30℃均多次完整回弹，未转Wenzel态。3.5节减阻测得半浸没蒸馏水1.0 m·s^-1下拖曳降约30.51%，全浸没降约31.38%，模拟海水趋势一致，归因于plastron部分滑移边界且高速下未崩塌。3.6节耐久性中，砂纸磨（最高60 g、15循环）、落沙（1.5 kg、30 cm）、水射流（1.5 MPa、1.5 kg）后CA>150°、SA<5°；热老化（40–80℃、48 h）、紫外（40–120 W·m^-2、48 h）、NaClO（1–3 mg·L^-1、48 h）后超疏水性保留。3.7节光学评估中，涂层覆盖光伏板输出与裸PC近无差异，十次遮光循环电压无损恢复；细沙污染后滴水自清洁使电压恢复至5.52 V（基线5.81 V），恢复比约95.01%，裸片则成浆层不恢复。

讨论部分指出，该工作将有机硅–环氧共价杂化与纳米SiO₂增强协同，解决透明基体上超疏水与透光、耐久难以兼得的问题；plastron减阻在0.1–1.0 m·s^-1稳态拖曳中随速度提升而增强且无转折，提示Cassie态在高Re数湍流中若气垫保留仍可能部分有效，但真实游泳非定常流场需后续量化。自清洁驱动光学恢复是相对于亲水防雾方案的核心差异优势，且涂层兼容泳池次氯酸消毒环境。

结论部分翻译：本研究提出一种在游泳镜镜片上构建多功能超疏水涂层的简便高效策略，将超疏水性、自清洁、耐久性、减阻与高光学透明性集成于单一平台。分级微纳粗糙结构与低表面能组分协同使液滴稳定于Cassie–Baxter态，静态接触角超150°、滑动角低于5°。自清洁测试中滚滴迅速携除污染物，裸片因铺展与颗粒团聚丧失清洁能力。界面气垫形成气–液滑移界面，赋予显著防雾与减阻。砂纸磨、落沙、水射流三类机械损伤后功能保留；40–80℃热老化、40–120 W·m^-2紫外、1–3 mg·L^-1 NaClO氧化浸泡后疏水性几乎不变。光学测量证实对基材透光影响可忽略，光照循环稳定且污染后迅速恢复清晰度。该工作于游泳镜镜片上协同优化超疏水、耐久与高透光，为超疏水功能涂层在游泳镜及水下装备等领域的部署提供有价值见解。