德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院：3D打印整體超疏水材料

來源：高分子科學(xué)前沿

超疏水材料具有很大的水接觸角(＞150 °) 和極小的滾動角(＜10°)， 因此在自清潔、防腐蝕、抗粘附、防冰霜等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在材料表面涂覆超疏水涂層是一種常見的制備超疏水材料的方法。為實現(xiàn)超疏水性，該涂層需要具有較低的表面能和精巧的微/納結(jié)構(gòu)。然而，這種高度粗糙的表面往往機(jī)械穩(wěn)定性差，不耐磨損，極大地限制了其實際應(yīng)用。一種有效的提高超疏水材料機(jī)械穩(wěn)定性的方法是將微/納結(jié)構(gòu)貫穿材料主體：當(dāng)材料表面被磨損時，暴露的部分仍然具有微/納粗糙結(jié)構(gòu)，以保持材料的超疏水性。但是，這種整體超疏水材料通常通過擠出或澆筑法制備，無法得到形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，限制了其性能和應(yīng)用。

為解決這一問題，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院董哲勤博士和Pavel Levkin教授近期開發(fā)了一種新型的3D打印整體超疏水材料的技術(shù)。該工作在前期研究基礎(chǔ)上（ Nat Commun2021, 12, 247），將相分離機(jī)制引入DLP 3D打印過程，通過調(diào)控聚合單體的疏水性和相分離動力學(xué)，得到了具有整體納米孔結(jié)構(gòu)的超疏水材料。由于3D打印技術(shù)的靈活性，該技術(shù)能夠制備具有非常復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的整體超疏水材料 （圖1）。

圖1. 3D打印整體超疏水材料的工作機(jī)理

由于普通的接觸角測量法并不適用于3D物體表面潤濕性能的表征，研究者們對打印物體進(jìn)行了水滴黏附力的測試。結(jié)果表明，制備得到的3D整體超疏水材料表面對水滴表現(xiàn)出了極低的粘附力 (~ 3 μN(yùn))，證明了其優(yōu)異的疏水性能（圖2）。

圖2. 3D打印整體超疏水材料的表征

研究者還對3D打印材料的機(jī)械穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，3D打印得到的整體超疏水材料能夠在40次磨損后仍然能夠擁有高度粗糙的表面，保持其對水滴的高接觸角和低滾動角。與之相反，涂覆超疏水涂層的3D材料在多次磨損后喪失了其粗糙表面和超疏水性能 （圖3）。

圖3. 3D打印整體超疏水材料的機(jī)械穩(wěn)定性

此外，研究者還展示了具有整體納米孔結(jié)構(gòu)的3D超疏水材料在油水分離和微流體器件中的應(yīng)用。由于納米孔結(jié)構(gòu)的滲透性，該整體超疏水材料能夠在阻擋水滲透的同時吸附油污（圖4）或滲透氣體（圖5），在膜分離、微流控、三相反應(yīng)器等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。

圖4. 3D打印整體超疏水材料高效吸附油污

圖5. 3D打印超疏水微流控器件

相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Advanced Materials上。第一作者為卡爾斯魯厄理工學(xué)院博士后董哲勤博士，通訊作者是德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院Pavel Levkin教授。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106068