基于油凝胶复合材料的抗粘附、自清洁表面的仿生制备及研究

Interfacial materials with antifouling and self-cleaning properties have played critical roles in human daily life, agriculture and industry. Conventional self-cleaning surfaces are mainly restricted in liquid-vapor-solid triple-phase system, and their self-cleaning properties are usually achieved by combining multi-scale structure and fluoride-containing compounds, making the process complicated, expensive and environment-unfriendly. In this project, inspired by the underwater self-cleaning property of fish scales, we will extend the applied fields of liquid-liquid-solid system from underwater into air, and fabricate stable quasi-solid organogel composite interfacial materials with high mechanical strength and self-cleaning property. We select common oleophilic monomers to prepare organogel network, and enhance its mechanical strength through double cross-linked network. We then introduce bioinspired microstructures on the surface of the organogel network, and investigate the influence of microstructures on its antifouling and self-cleaning properties. Meanwhile, we will also fabricate stimuli-responsive organogel and study its responsiveness by external changes. This project will make a breakthrough in design of self-cleaning surfaces, and afford a new way to fabricate novel and environment-friendly self-cleaning surfaces.

抗粘附、自清洁界面材料已经对人们的日常生活、工农业生产产生了巨大影响。传统的抗粘附、自清洁表面主要局限在液-气-固三相体系中，通过构筑多尺度结构和引入低表面能含氟材料来实现自清洁性能，使其制备过程复杂、昂贵，而且含氟材料还会引起环境污染问题。本项目将受鱼皮自清洁性能启发的水下液-液-固自清洁体系拓展到空气中，仿生制备高强度、稳定的油凝胶基准固态抗粘附、自清洁界面材料。选用常见的高分子油凝胶（聚甲基丙烯酸甲酯、聚N-异丙基丙烯酰胺等），采用顺序交联的双网络结构，制备高强度的油凝胶复合材料。在该复合材料表面引入仿生结构，探究表面结构对油凝胶基复合材料的抗粘附、自清洁性能的影响。基于高分子聚合物网络的智能响应性（如温度、电场等），研究在外场刺激时，油凝胶表面抗粘附及自清洁性能的响应性。本项目拓宽了传统抗粘附、自清洁界面材料的制备方法，为设计制备新型环保的抗粘附、防污材料提供了一种新思路和新原理。

自清洁界面材料的研究备受关注，已经使人们的日常生活，工农业生产产生了翻天覆地的变化。但是，目前自清洁表面的制备方法存在一些缺陷。仿生的超疏水自清洁表面往往需要构筑复杂的微纳米多尺度结构，制备过程耗时、成本昂贵。而且，通常需要引入含氟材料降低表面能，不可避免的带来环境污染问题。而具有自清洁性能的超亲水材料选择面窄，局限于TiO2材料，限制了其广泛应用。.本项目中，基于仿生的设计理念，将自然界中水生生物的液-液-固自清洁体系启发，构筑基于凝胶复合材料的准固态表面，同时引入特定表面结构调控凝胶复合材料表面对无机、有机、生物样品的粘附行为，最终开发出一系列能够应用于实际生产生活中的抗粘附、自清洁凝胶材料。并选用对外场刺激响应的高分子材料，达到对凝胶复合材料表面的抗粘附、自清洁性质进行智能调控的目的，为抗粘附、自清洁界面材料的制备提供新思路。.在该项目支持下共发表SCI论文9篇。其中，影响因子大于7的8篇，影响因子大于10的3篇。代表性结果叙述如下：1）将没有蒸汽压极低、理化性质稳定的离子液体引入到聚合物网络中，设计制备了在空气中长期稳定的离子凝胶材料，实现了对水滴或者油滴在凝胶表面低粘附、易滑动行为。该研究在抗粘附疏液界面、石油运输等领域具有重要的应用前景；2）利用离子液体与银纳米线之间的配位作用，在超亲离子液体的银纳米线网络表面引入10 nm左右的离子液体凝胶薄膜。所制备的复合透明导电薄膜空气稳定性优异，酸、碱、盐耐受性好，为制备柔性光电子材料提供了一种新材料；3）将生物相容性好的聚乙二醇引入到牙齿矫正的托槽上，利用聚乙二醇与水分子之间强的氢键作用形成很薄的水膜，实现了对口腔细菌的抗粘附行为；4）将智能响应性的聚N-异丙基丙烯酰胺引入到三维纳米界面上，利用聚N-异丙基丙烯酰胺与水分子相互作用的温度响应性，实现了水下油滴粘附行为的智能调控。