摘要
仿生超疏水材料因其独特的拒水性、自清洁能力和低粘附力使其在生物医药、工程技术和能源化工等诸多领域有着巨大的应用前景。然而，实现超疏水性必需要依赖微米甚至是纳米级别的表面结构来实现与液滴最小程度的接触和对空气的有效截留，这就导致了超疏水表面的机械稳定性十分脆弱，甚至难以应对微小的外界应力作用。这一问题已经成为了超疏水材料向实际应用大规模推广的最大障碍。本论文将结合并改良前人的研究方法，聚焦于结构设计和材料优化，提出了多种方法来构筑稳定超疏水材料，并在稳定性的基础上探究了超疏水材料在油水分离、主/被动防冰、延迟结霜与腐蚀防护等多领域的应用。 研究工作简介如下： 1、结合界面强化与结构设计，采用“高分子环氧树脂（ER）+SiO2NPs+高分子聚二甲基硅氧烷（PDMS）”的双重交联策略构筑了稳定超疏水涂层。该涂层有着良好的基底普适性，可以与常见材料良好地结合。通过引入该超疏水涂层所制备的油水分离装置不仅对不同油水混合物表现出优异的分离效率（≥98%），而且在面对各种机械或化学损害时表现了出色的耐久性。并且，在经历机械或化学损害后，其依然维持超疏水性能（WCA＞151.5°）的和优异的的油水分离效率（≥98%）。 2、采用以ER为粘接层，以耐磨橡胶颗粒（RRPs）为表面结构构筑单元的策略，成功开发了一种用于制备坚固超疏水表面的方法。RRPs的熵弹性赋予了该超疏水表面强大的机械稳定性，在2kg的载荷下线性摩擦440次才丧失超疏水性能。基于该超疏水表面所制备油水分离功能集成装置实现了在机械磨损前后分离效率高达95%的连续可循环的油水分离和油收集。 3、通过一种低成本、简单且可扩展的微骨架铠甲设计策略构建了一种具有强大稳定性的超疏水复合材料（ECCS）。由坚硬金属构建的微骨架铠甲保护层可以在面对外界应力冲击时为其内部的超疏水微纳结构单元提供有力保护。在2kg载荷下进行了300次循环线性摩擦后，仍然保持出色的超疏水性能。并且该复合材料能够有效地延缓冰/霜的形成，展现出良好的防冰/霜性能。 4、通过仿生穿山甲的鳞甲结构，采用“刚柔并济”的设计策略，使用坚硬的无机矿石刚玉（MCPs）与柔性耐磨橡胶颗粒amp;高分子互穿网络（RTPsamp;IPN）结构构筑了稳定超疏水复合材料（RF-SC）。“刚柔并济”的设计策略使其在面对外界应力冲击与机械磨损时表现出高抗冲击性与韧性，其能够在2kg（40KPa）的载荷下经受1200次摩擦线性循环。此外，其还表现了出色的耐候性和显著的抗冰/电化学腐蚀性能，具有在恶劣和复杂的环境中长时间保持超疏水性的能力。 5、使用ER和液体硅橡胶（LSR）通过极性诱导相分离和溶胀限度差制备了微纳结构一体成型的超疏水涂层（EL-SC）。微纳结构的高度一致性赋予了其优异的机械稳定性，使其可以承受800g载荷下的250次机械摩擦和500g载荷下的80次手动摩擦。此外，EL-SC还展现出出色的抗电化学腐蚀性能；在添加颜料后，可广泛应用于防水绘画领域。添加石墨烯（GP）纳米片后，其具备了全天候主/被动除冰能力。
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