自修复超疏水表面的构筑及微观结构调控与性能相关性研究

Designing materials that can self-heal rough structure and low surface-energy property after damage is an effective way to fabricate long-lived robust superhydrophobic surfaces. This proposal plans to construct superhydrophobic coatings with hierarchical structures by covalent bonding of core/shell capsules with hydrophobic materials as soft core and porous silica as hard shell. The coating is designed as a network with self-similarity, being made of multi-cores and porous silica shells. Thus, releasing of hydrophobic materials from the core through the porous silica to the outmost can recover the low surface-energy property at the surface. Broken cores by mechanical abrasion can make the fresh surface reveal rough morphology due to its self-similarity, and leakage of hydrophobic materials from the soft core can make the surface keep low surface-energy property. Based on this principle, it is proposed to design core/shell capsules deliberately as construction unit, to control the network structure of the coating, and to investigate the factors affecting the recovery of surface rough structure and the restoration of chemical components with low surface-energy property, aiming to establish a controllable method for fabrication of self-healing superhydrophobic surfaces with robust structure and stable property.

表面受外界破外后能通过自修复而同时保持微观粗糙结构和低表面能性质是获得耐损伤、长寿命超疏水表面的一个有效途径。项目拟制备低表面能物质为软核，表面官能化改性的多孔二氧化硅为硬壳的核/壳结构胶囊颗粒，并将其作为涂层构筑单元通过共价结合方式构筑超疏水涂层表面。调控构筑单元的尺寸、软核/硬壳结构及其排列和结合方式使涂层在整个厚度范围内形成软核腔填充、多孔硬壳层加固的多腔多孔二氧化硅自相似网络结构。当涂层表面化学组分受破坏后，该网络结构中的软核低表面能物质受热力学驱动通过多孔二氧化硅向外释放使低表面能化学组分再生。当涂层受强机械作用时，该网络体系中的硬壳腔发生暴露，使新露表面不仅能重现微纳粗糙结构，而且由于软核中低表面能物质的溢出而维持低表面能。基于此，项目将通过精心设计核/壳结构构筑单元、调控涂层空间微观结构，并探明其影响表面粗糙结构重现和表面化学组分再生的规律，建立自修复超疏水表面可控制备方法。

为了延长超疏水表面的超疏水性能的持久性，课题设计并构筑具有自修复性能的超疏水表面，并开展其微观结构调控与性能相关性研究。项目通过制备低表面能物质为软核，表面官能化改性的多孔二氧化硅为硬壳的核/壳结构胶囊颗粒，并将其作为涂层构筑单元通过共价结合方式构筑了超疏水涂层表面。通过调控构筑单元的尺寸、软核/硬壳结构及其排列和结合方式使涂层在整个厚度范围内形成软核腔填充、多孔硬壳层加固的多腔多孔二氧化硅自相似网络结构。研究了当涂层表面化学组分受破坏后，该网络结构中的软核低表面能物质受热力学驱动通过多孔二氧化硅向外释放使低表面能化学组分再生机理。探索了当涂层受强机械作用时，该网络体系中的硬壳腔发生暴露，使新露表面不仅能重现微纳粗糙结构，而且由于软核中低表面能物质的溢出而维持低表面能的规律。探明了低表面能物质为软核，多孔SiO2为硬壳的核/壳结构胶囊颗粒的结构及其构筑的涂层空间自相似网络微观结构影响涂层表面结构衍变的规律，为胶囊颗粒结构调控、表面构筑技术的优化提供理论依据，为实现涂层表面粗糙结构的修复奠定基础。揭示了胶囊颗粒的壳层多孔结构和低表面能物质的传质行为影响表面化学组分衍变的规律，为胶囊颗粒壳层结构的调控、低表面能物质的可控负载与释放提供理论依据，为实现表面组分的修复奠定基础。通过优化胶囊颗粒结构调控、改性和表面构筑方法，调控胶囊壳层孔隙结构、核/壳相结构和涂层空间结构，建立了涂层空间自相似网络多级结构与超疏水表面自修复性能之间的关系，获得结构稳定、性能持久的自修复超疏水功能表面制备方法。研究成果获陕西省高等学校科学技术一等奖1项，陕西省科学技术二等奖1项，在国际期刊上发表SCI收录论文15篇，申请中国发明专利6件，授权1件。培养博士生3名，硕士生10名。