武汉理工大学:“两步”缩聚工艺制备坚固、耐用、自修复超疏水涂层,用于自清洁和防冰应用

超疏水涂层以接触角>150°，滑动角<10°为特征，通过构建微纳粗糙结构和设计低表面能材料，在表面工程领域引起了广泛的关注。这些涂层在自清洁、防污、油水分离、防冰和防腐等各种应用中展现出巨大的潜力。

制备超疏水涂层的方法多种多样，如化学气相沉积、静电纺丝和化学蚀刻。然而，这种超疏水涂层的制备通常需要使用挥发性有机化合物（如醇、烷烃、芳烃和酮）。这些有机试剂的使用不仅给环境带来负担，而且在坚固性和耐久性方面也有改进的空间。众所周知，水是一种绿色、理想的化学反应溶剂，聚氨酯具有优异的机械性能和粘附性能。因此，水性聚氨酯（WPU）被认为是制造环保、坚固耐用的超疏水涂层的有前景的候选材料。采用氟化策略赋予涂层超疏水性，为未来的研究提供了宝贵的见解。然而，氟化组分的极低表面张力会导致与系统中其他组分的分散性差，从而影响涂层的耐久性。此外，这种涂层对大多数基材的附着力较差。这些涂层通常是通过将聚合物胶体刷到表面上而不是使用水性喷涂技术形成的。前一种方法会导致涂层厚度不均匀，从而降低涂层的整体机械坚固性和耐久性。

水性聚氨酯虽然具有优异的机械性能，但其在基材表面形成的薄涂层容易受到雨水冲击、机械磨损和化学降解等外部因素的影响。长期受到这些因素的影响，涂层的强度和韧性会降低，导致涂层损坏。这种损伤会导致接触角（CA）和滑动角（SA）的滞后，甚至导致超疏水功能的丧失。因此，希望涂层能通过自修复功能恢复损伤，从而延长其长期耐久性。涂层的自修复能力可以通过嵌入修复剂或微胶囊来实现。这些方法能够使受损区域现场修复，然而，随着使用周期的延长，胶囊或修复剂逐渐耗尽，从而限制了涂层的自修复能力。相比之下，在聚合物分子链中引入可逆动态键解决了胶囊/修复剂耗尽的问题，为涂层的永久自修复提供了可能性。引入的可逆动态键可分为动态共价键和动态非共价键。动态共价键包括硼酸酯键、D-A键，而动态非共价键包括氢键、离子相互作用、金属-配体配位和π-π堆积。目前大多数研究依赖于在聚合物分子链中引入可逆动态键，通过在高温或光等外部刺激下促进分子链段扩散和网络重排来实现自修复。动态二硫键由于键断裂时的较低的解离能，更有利于在温和条件下实现涂层的自修复。尽管降低了自修复过程中对外部条件的严格要求，但烷基二硫键交换反应固有的低反应性仍然需要较长的反应时间、外部催化剂或高于环境温度数十度甚至超过100℃的高温。这可能会导致涂层的机械性能和使用寿命降低。最近的理论研究表明，在取代的芳香族二硫化物中引入供电子或活化基团可以降低S-S键的解离能（<30-50kcal/mol），从而产生更多的硫自由基，加快交换反应。但在现有的文献中，关于此类二硫化物对聚氨酯自修复性能影响的研究仍然缺乏。

近期，武汉理工大学张超灿团队采用“两步”缩聚法，成功开发了一种可喷涂、机械坚固、耐用、室温自修复的水性氟化聚氨酯超疏水涂层。

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