一张砂纸，实现超疏水表面

想要表面超疏水？试试砂纸！

超疏水材料定义为具有水排斥接触角（水表面与材料表面相交的角度）超过 150°的材料。要具有超疏水性，疏水性材料必须具有低表面能和粗糙表面。然而，目前制造此类材料的技术很复杂，通常涉及使用刺激性化学品。

想要一个不会弄湿的表面？拿一些砂纸，精选的粉末和一些润滑脂就全搞定了！

由美国莱斯大学的 James Tour 和 C Fred Higgs III 领导的一组研究人员现已开发出一种一步、无溶剂的打磨方法，这种新的无溶剂技术可以简化超疏水和防冰材料的制造，可以制造出接触角接近 164° 的超疏水表面。研究人员将该技术应用于各种表面（聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚二甲基硅氧烷）以及各种粉末添加剂。这些包括激光诱导石墨烯纤维、乱层闪光石墨烯、二硫化钼、聚四氟乙烯和氮化硼。使用了从 180 到 2000 粒度的各种氧化铝砂纸。该技术使几乎任何表面都具有极强的防水性，具有许多潜在的应用，包括但不限于飞机机翼，生物医学设备、减阻系统、电池电极和催化剂表面。相关研究成果以题为“Robust Superhydrophobic Surfaces via the Sand-In Method”发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

【材料设计与制造】

某些类型的砂纸具有表面粗糙度，可促进所需的防水或疏水行为。然而，这里摩擦学的概念——滑动接触表面的研究——是关键，因为在磨砂过程中在摩擦表面之间引入精选的粉末材料意味着摩擦膜的形成，其具有使表面功能化的优点更防水。作者设计了一种一步砂入方法，直接在具有不同初始润湿性的各种基材上制备超疏水涂层（图1a）。在典型的磨砂过程中（图1b），首先用玻璃化研磨剂（砂纸）打磨基板约1分钟以引入表面粗糙度，然后在基板上添加粉末。研究表明不同的打磨方案可以产生不同的打磨微观结构，从而有助于各向异性润湿性。打磨前的固有基材是轻微亲水或疏水的，表观CA在75和105°之间（图1c），用CPC-FG打磨后，打磨表面变得超疏水。在粉末添加剂的帮助下，砂入法通过改变表面粗糙度和表面能显示出广泛的可调性，这分别是由砂磨微观结构和纳米级粗糙度引起的（图1d）。

图 1. 通过表面打磨进行聚合物界面工程

【砂入表面的可控润湿性】

表面粗糙度决定纳米结构和微观结构的液固接触分数，并随着砂纸平均磨料粒度的变化而变化，从而导致润湿性差异（图2a）。以CPC-FG粉末和PTFE基材为例，当使用的砂纸为220粒度时，可实现最佳超疏水性，对应于～63μm的平均粒度。所得砂入PTFE的最大表观CA约为153.6°，最小滞后约为3.5°。砂粒尺寸的增加导致形成更大的凹槽，这有利于固液接触并挤压气泡。除了表面粗糙度，表面能也有助于表面润湿性，这可以通过粉末添加剂改变。粉末添加剂具有不同的形态和组成，显示出不同的极性和表面能，导致从亲水到疏水的可调润湿性。粉末添加剂的固有润湿性导致接触角的差异。结合几何微观结构，砂入表面表现出优异的疏水性或亲水性（图2B，C）。一步砂入方法可以应用于不同的基材，包括PDMS、HDPE、PVC、PP、PTFE和PS，以制造超疏水表面，如图2d所示，这证明了一步砂入方法的广泛可行性方法。

图 2. 砂入表面的可控润湿性

【砂入表面的形态与成分】

砂入法诱导表面改性并导致在基板顶部形成摩擦膜。为了解打磨处理后的表面变化，进一步研究了摩擦膜的形态和结构。以PTFE-CPCFG(F)为例，顶视图SEM图像显示了随机微型凹槽的形成和附着的凹凸不平（图3a–c）。未打磨的PTFE和打磨的PTFE以及PTFE–CPCFG(F)的表面高度分布如图3d–f所示。与未打磨的PTFE相比，打磨的PTFE的平均线粗糙度和面粗糙度分别增加了~81%和~87%。这些结果证实机械磨损和粉末添加剂主要对表面粗糙度和表面能有贡献，这协同导致砂入表面的超疏水性。其中，纳米结构和微观结构的液-固接触分数都可以促进砂入表面的超疏水性, 以及砂入添加剂的固有润湿性，因此，砂入法可以是无溶剂和无水的，并且可以制造具有优异亲水性或疏水性的砂入表面。

图 3. 砂入表面的形态和成分

【砂入表面的稳定性】

超疏水表面的坚固性在实际应用中具有重要意义，因为表面在暴露于空气后会发生缓慢的氧化和老化，这对于有机涂层尤其重要。本文制备的超疏水材料非常坚固。事实上，即使经过100次胶带剥离测试以及在130°C的空气中暴露24小时后，它们仍保持防水性。将它们放在炎热的阳光下18个月也没有影响它们的性能。当材料确实开始失效时，只需用相同的粉末添加剂再次打磨它们，就可以轻松地使它们焕然一新。

该过程应该是可扩展的，这是其他用于生成疏水表面的技术无法做到的。它还赋予材料增强的抗冰性能，冰在经过处理的表面上需要更长的时间才能结冰，并且还会失去其粘附强度。应用包括阻止飞机机翼上结冰、防止船上结冰，以及避免细菌在生物医学设备的潮湿表面上积聚造成生物污染。

图 4. 砂入表面的时间和机械稳定性

【小结】

作者开发了一种一步、无溶剂和无水的砂入方法，可以直接在六种不同的基材上制备坚固的超疏水表面。防水性经得起100次透明胶带剥离测试，并在恶劣环境条件下储存18个月后保持相对稳定。通过切换粉末添加剂和打磨条件，可以将表面润湿性从亲水性调整为超疏水性。表面轮廓和砂入材料表征表明，微观结构和纳米级粗糙度都有助于砂入表面的稳健超疏水特性；此外，磨砂表面具有出色的抗冰能力。砂入法诱导表面改性和摩擦膜的形成。光谱分析证实了摩擦膜内基材和粉末添加剂之间的相互作用，这涉及质量和电子转移以及结构变化。本文结果可以指导具有受控润湿性的表面设计，并且可以应用于各种表面类型的大规模应用。