完全液体排斥的双疏性表面的实用制备及其持久作用机制

Omniphobic surfaces which can repel both oil and water have wide applications in multiple fields, such as material protection, sewage treatment, medical, biology, liquid transport, cosmetics and personal care and so on. The existing liquid repellent surfaces have high requirements on the properties of substrates, and it is difficult to maintain the surface liquid repellency for long term usage. These problems also decrease the practicability of existing methods. In this project, PDMS brushes grafted by covalent bonds are used to prepare smooth and omniphobic surfaces for long-lasting applications. Further experiment results show that by adding bis(triethoxysilyl)ethane (BESE) with the double claw structure into the reaction system, we can achieve excellent and stable omniphobicity on less reactive surfaces like ITO. We propose that, compared with bifunctional silanes, BESE has a higher hydrolysis rate, which can lead to its preferential reaction with less reactive surfaces and enhance their reactivity; and then BESE can fine-tune the structure of PDMS brushes polymerized from bifunctional silanes subsequently, which further enhance their stability. The project will take advantage of the composites of bifunctional and multifunctional silanes, and test their performance on material surfaces so as to clarify the key role of multifunctional silanes in the fabrication of omniphobic surfaces and the mechanism of brush stability enhancement. This project is expected to provide sufficient scientific evidence for the highly efficient preparation of long-lasting and practical omniphobic surfaces.

具有液体排斥效应的双疏性（疏油和疏水）表面在材料防护、污水处理、生物医疗、液体传输、化妆护理等领域均有着广泛的应用。已有的双疏性表面的制备技术对材料基底有着较高的要求，且难以长久维持其所制表面的液体排斥效应，使其实用性极大地受限。本项目拟采用通过共价键接枝的PDMS分子刷，在多类材料上制备理想的可持久应用的双疏性光滑表面。近期的研究显示，在PDMS分子刷的反应体系中加入双爪型多官能基硅烷—双（三乙氧基硅基）乙烷（BESE），可在ITO玻璃等普通材料表面实现稳定优异的双疏性。我们提出：BESE水解速度快，可优先与低活性表面反应并增强其活性，随后能够微调分子刷结构而增强其稳定性。本项目利用二官能基/多官能基硅烷的组合体系，通过测试其在材料上的表现，来阐明多官能基硅烷在双疏性表面构建中的关键作用以及其增强表面稳定性的机制，为高效制备持久实用的双疏性表面提供更充分的科学依据。

表面吸附现象几乎无处不在，然而，大量发生的吸附作用产生了严重的社会与经济损失，尤其在防污与防腐方面，界面吸附是导致材料发生污损和腐蚀的重要原因。我们在本项目的开展过程中，深入研究了界面吸附在多种固体表面的物理机制，并由此提出了制备防吸附界面乃至高黏附材料的思路与方法。项目中采用了多种有机硅材料与天然生物材料，通过共价接枝和物理共混等方法的联合，制备了具有不同吸附性能的材料：高排斥性材料（J. Mol. Liq. 2021, 339, 117174、PCCP 2019, 21 (16), 8257-8263、材料研究与应用 2022，16 (2), 234‐242、授权专利：一种超疏水涂料及其制备方法和应用2021106000132、一种硅丙树脂涂料及其制备方法和应用 202110666386X、一种改性沥青及其制备方法 202010283729X）、选择吸附性材料（Carbohydr. Polym. 2021, 257, 117626. 授权专利：一种抗污涂料及其制备方法和应用2021107739917）以及高黏附性材料（Int. J. Pharm. 2022, 622, 121843），依托相关的“高惰性有机硅涂料”技术，作为第一指导老师指导学生荣获第七、八届中国国际“互联网＋”大学生创新创业大赛广东省金奖。本项目研究发现：选择构型上具有多个功能基团的融合性分子作为功能单体，能在相应的聚合物体系中发挥关键作用，既能在高排斥性界面体系中通过多结构协同而发挥关键的稳定作用，又能在高粘附材料的体系中通过强大的界面交互作用发挥高附着效应，从而使相应的材料体系具备优异的性能与表现；另外，低极性有机硅组分在较高极性材料基体中复合形成的分散特性，与不同组分的含量与分子量分布特征有着直接关联，通过调控具有不同极性组分的质量与嵌段比，可以有效调控复合材料的结构与其表面吸附性能。通过本项目的实施，我们制备了高性能双疏性材料、选择性吸附材料、以及高黏附性材料，为高效地利用聚合物复合体系制备功能型界面材料提供了切实的科学依据和有益的应用选择。