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  超疏水材料是指材料表面與水的接觸角大于150°而滾動(dòng)角小于10°的材料。由于超疏水材料具有自清潔、防污染、防腐蝕、微滴操控、耐冰凍等各種特殊的性能，使其在航天、軍工、農(nóng)業(yè)、管道無(wú)損運(yùn)輸、房屋建筑以及各種露天環(huán)境下工作的設(shè)備等領(lǐng)域擁有廣闊的前景。隨著科技的不斷進(jìn)步，超疏水材料作為一種擁有巨大潛在價(jià)值的材料備受人們的青睞。雖然超疏水材料的制備方法有許多，例如電化學(xué)沉積、噴涂法、溶膠凝膠法、等離子體法、自組裝法、模板法等，但是開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)單、高效、環(huán)境友好、大面積制備的超疏水表面制備方法仍然是超疏水領(lǐng)域一項(xiàng)大的挑戰(zhàn)。

  鑒于上述原因，安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院何強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)，利用硅橡膠具有較低的表面能這一固有特性，采用物理沉積法，在未完全固化的液體硅橡膠表面均勻分散一層氧化鋁，室溫固化完全后利用氮?dú)獯等ケ砻娑嘤嗟难趸X顆粒，然后進(jìn)行超聲清洗，干燥后得到超疏水表面（圖1）。相關(guān)工作以“A fluorine-free superhydrophobic silicone rubber surface has excellent self-cleaning and bouncing properties”為題發(fā)表在J. Colloid Interf. Sci.（2020, DOI: 10.1016/j.jcis.2020.12.059）。

圖1 氧化鋁/硅橡膠超疏水表面的制備過(guò)程

  首先，作者通過(guò)能譜分析確定氧化鋁顆粒成功粘附到硅橡膠的表面（圖2），再使用掃描電子顯微鏡觀察了氧化鋁顆粒與硅橡膠表面的結(jié)合狀態(tài)（圖3），結(jié)果表明氧化鋁與硅橡膠表面的結(jié)合狀態(tài)有部分包覆、半包覆和完全包覆，氧化鋁的分布在硅橡膠表面構(gòu)建了粗糙結(jié)構(gòu)。

圖2 原始硅橡膠（A）和氧化鋁/硅橡膠(B)表面的元素分布及含量圖

圖3 原始硅橡膠表面、氧化鋁顆粒和氧化鋁/硅橡膠表面的掃描電鏡圖

  然后，作者采用接觸角測(cè)量?jī)x和干涉式三維表面形貌儀分別對(duì)原始硅橡膠和氧化鋁/硅橡膠的接觸角、滾動(dòng)角及表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，再結(jié)合超疏水表面的經(jīng)典理論模型對(duì)氧化鋁/硅橡膠表面的疏水機(jī)理進(jìn)行了闡述（圖4），結(jié)果表明，硅橡膠表面超疏水性能的獲得主要來(lái)源于其自身較低的表面能，以及氧化鋁在其表面構(gòu)建的粗糙結(jié)構(gòu)。

圖4 氧化鋁/硅橡膠超疏水表面的形成機(jī)理

  最后，作者利用搭建的彈跳實(shí)驗(yàn)裝置（圖5），研究了液滴體積、下落高度、傾角及溫度對(duì)液滴在氧化鋁/硅橡膠表面彈跳行為的影響，結(jié)果表明：當(dāng)液滴的下落高度較高時(shí)，由于其內(nèi)部存在劇烈的拉伸運(yùn)動(dòng)，從而使液滴出現(xiàn)分離的趨勢(shì)。當(dāng)液滴的下落高度一定時(shí)，液滴的體積是影響液滴彈跳高度的一個(gè)重要因素。當(dāng)液滴下落到傾斜試樣表面后，液滴的重力與試樣表面對(duì)液滴的作用力和液滴的彈跳方向并不在一條直線上，液滴內(nèi)部拉伸運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度在液滴被彈起的過(guò)程中被降低，因此相比于水平試樣表面，液滴在傾斜試樣表面的彈跳過(guò)程中更加不易分離。此外，隨著溫度的增加液滴的最大鋪展直徑逐漸下降，并且最大彈跳高度逐漸增加。

圖5 液滴的彈跳實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

  論文的第一作者為安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)在讀碩士研究生王廣飛，通訊作者為安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院何強(qiáng)教授。研究工作得到了洹水學(xué)者發(fā)展計(jì)劃、河南省高等學(xué)�？萍紕�(chuàng)新人才支持項(xiàng)目（19HASTIT023）的資助。

  論文信息：Guangfei Wang, Anling Li, Kangshuai Li, Yaohui Zhao, Yongwei Ma and Qiang He*, A fluorine-free superhydrophobic silicone rubber surface has excellent self-cleaning and bouncing properties. J. Colloid Interf. Sci., 2020, DOI: 10.1016/j.jcis.2020.12.059

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.12.059