可承载高拉伸形变的超疏水纳米复合涂层制备及其结构、浸润性的演变规律研究

Superhydrophobicity is an important anti-wetting behavior for solid surface, which has wide application in water-proof, anti-ice, self-clean and anticorrosion fields. This unique characteristic depends on the special roughness structure with multi-scales. However, this elaborate structures are easily destroyed especially when they are subjected to high tensile strain (>100%) on flexible substrate. It leads to the loss of superhydrophobicity due to the structure damage from large space change. As so far, the study on superhydrophobic surface bearing large stretchable strain is fewly reported. To resolve above issue, we propose to construct a superhydrophobic elastomer coating with low modulus on the flexible rubber, which consists of polybutadiene and carbon nanomaterials. The superhydrophobic elastomer coating could exhibit a highly stretch ability by tailoring its structure. In this proposal, we plans to explore the evolution law of the microstructure and wetting ability in the superhydrophobic coating by the fracture mechanic method. This project tends to reveal the evolution law of crack propagation in the filler network and their effect factors. In the meanwhile the correlation between microstructure with crack structure and wetting ability of superhydrophobic coating will be built up. Finally, the research output from this project will provide a new method and an experimental evidence for the preparation of highly stretchable superhydrophobic coating.

超疏水是一种重要的固体表面抗液体润湿现象，在防水、防冰、自清洁、防腐蚀等领域有重要应用，其性能依赖于表面特定的微纳粗糙结构。然而，这些精细的结构在外力作用下容易发生破坏。当建立在柔性衬底上的超疏水表面发生高拉伸形变（>100%）时，其结构更容易被破坏，导致超疏水性能失效，制约了其实际应用。目前关于具有高拉伸变形能力的超疏水涂层报道较少，也缺乏相关规律研究。针对这一问题，申请人拟采用低表面能的聚丁二烯与碳纳米粒子在柔性橡胶衬底表面构建低模量的超疏水弹性涂层，通过结构调控获得在高拉伸形变下具有超疏水性能的涂层，并借助断裂力学中裂纹的研究方法，探索涂层在高拉伸形变下的结构和润湿性能的演变规律。项目旨在揭示裂纹在复合涂层的碳纳米填料网络中的传递发展规律和影响因素，建立裂纹作用下的表面多尺度结构在拉伸应变下的变化与润湿性能的关系，为制备可承载高拉伸应变的纳米复合涂层提供新的方法和实验依据。

超疏水是一种重要的固体表面抗液体润湿现象，在防水、防冰、自清洁、防腐蚀等领域有重要应用，其性能依赖于表面特定的微纳粗糙结构。然而，这些精细的结构在外力作用下容易发生破坏。当建立在柔性衬底上的超疏水表面发生高拉伸形变（>100%）时，其结构更容易被破坏，导致超疏水性能失效，制约了其实际应用。针对这一问题，申请人他们采用纳米炭黑和聚丁二烯弹性体为原料，设计和制备出可大幅变形、具有多层次结构的超疏水纳米涂层。这种涂层的多层次结构表现出有趣的自适应变形行为，随着基底的大幅拉伸变形，可以裂解产生新的多层次微纳结构来维持原有的超疏水性能。结果，复合涂层在1000%的变形条件下仍然保持优异的超疏水性能（水接触角170°，滚动角<4°）, 且在多次拉伸-回复条件下也可以保持超疏水性能。此外，通过简单的拉伸处理可以对受到等离子体破坏的超疏水涂层进行快速还原修复。这种高度可拉伸的超疏水涂层可以喷涂于各种柔性基底，未来在可拉伸电子器件、柔性传感器、功能纺织品防水保护方面有重要应用意义。项目借助断裂力学中裂纹的研究方法，探索涂层在高拉伸形变下的结构和润湿性能的演变规律，揭示了裂纹在复合涂层的碳纳米填料网络中的传递发展规律和影响因素，建立裂纹作用下的表面多尺度结构在拉伸应变下的变化与润湿性能的关系，为制备可承载高拉伸应变的纳米复合涂层提供新的方法和实验依据。. 在项目执行期内，相关研究成果在国际学术期刊上发表SCI论文10 篇，申请发明专利3项，其中两项发明已经获得授权；参加国内外重要学术会议5 次以上，并做相关会议口头报告；培养青年科研人员2名和研究生3名。利用纳米炭黑与橡胶构造出可自适应变形的多层次微纳结构，基于该结构的超疏水涂层在1000%的超大拉伸形变下仍然能保持Cassie超疏水状态,获得目前该领域报道的最大的形变值，该工作以封面论文的形式发表于Small，被MaterialsView进行了点评报道。.