Adv. Funct. Mater. 外加电压和近红外光作用下可自修复的导电超疏水薄膜

【背景简介】
超疏水表面，与水的接触角大于150°且滑动角小于10°，由于它具有自清洁、减阻、耐腐蚀以及防冰等潜在的工业应用价值，因此吸引了越来越多的关注。在过去的几十年中，人们采用各种方法将低表面能与不同基材上的微-纳米分层结构相结合用来制备超疏水表面。然而，由于太阳光作用、化学腐蚀及机械损伤，人工超疏水表面中最上层的低表面能材料的分解和/或微-纳米分层结构的分解使其很易于失去超疏水性。因而，较差的耐用性成为了限制人造超疏水表面实际应用的重要因素。

来自吉林大学化学学院纳微构筑化学国际合作联合实验室、超分子结构与材料国家重点实验室的孙俊奇教授研究小组首创了通过在分层结构的多孔聚电解质膜中预埋疏水表面活性剂制备出具有较好的耐用性和较长的使用寿命的自修复超疏水薄膜。一旦薄膜表面上的疏水表面活性剂开始分解，预埋的疏水表面活性剂将在自由能驱动下迁移至受损表面区，从而使薄膜的超疏水性实现自动恢复。然而，上述方法所制造的自愈合/可修复超疏水表面只能修复由于表层擦伤引起的低表面能材料分解所带来的损坏。如何实现反复修复由于严重的机械损伤带来的超疏水性损失，制备出新型的自愈合/可修复超疏水性薄膜，仍然是一个重大的挑战。

近日，该研究小组通过在热修复的PCL（聚已酸内酯）/PVA（聚乙烯醇）复合膜上沉积一层AgNPs-AgNWs (银纳米颗粒和银纳米线)，随后在沉积一层PFDT（1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇）制备出导电的超疏水薄膜，该薄膜在外加电压或NIR（近红外）光照下可以实现自修复。

【图文导读】

图一：
a）可修复超疏水PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7薄膜的制备过程示意图。
b-d）表示AGNPs-AgNWs/（PCL/ PVA）* 7薄膜制备过程中扫描电镜的俯视图：b）AgNWs/PC（L/ PVA）* 7薄膜；c）Cu修饰的AgNWs/（PCL/ PVA）* 7薄膜；d）AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7膜。b-d中的插图分别给出了PFDT沉积后各类薄膜相应的水接触角，通过制备过程中不同薄膜水接触角的变化可以看出其中d图中的薄膜属于超疏水薄膜。

图二：
a）不同外加电压下， 尺寸大小为10 mm×30 mm的PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7薄膜温度随时间的变化曲线。
b）外加电压为6 V时，尺寸大小为60 mm×60 mm的超疏水PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7 薄膜除雪测试实验。
c）外加电压为4 V时，PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7 薄膜的水接触角和温度随时间的变化曲线。

图三：
a–d)尺寸大小为10 mm×30 mm的PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7 薄膜带有约136μm宽切口时的扫描电镜图及其在外加电压4V时修复后的扫描电镜图：
a）被切后的PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7薄膜，插图为水滴在倒置膜中受损区域处的形状。
b）a中所示切口边缘的放大扫描电镜图，箭头所指处为裸露的（PCL/ PVA）* 7膜。
c）a中带有切口的薄膜修复后扫描电镜图，插图为水滴在膜愈合区域处的形状。
d）该膜的愈合区域的放大扫描电镜图。
e）不同外加电压下，尺寸大小为10mm×30mm的PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7 薄膜可以有效修复的最大切口宽度。插图为不同外加电压下，PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7 薄膜修复前后的扫描电镜图。插图中的比例尺均为50μm。

图四、 PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7薄膜的自修复过程示意图

图五：
a、b）外加电压为4V时，具有宽约650μm切口的尺寸大小为10 mm × 30 mm PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7薄膜修复前（a）后（b）的扫描电镜图。
c）b中薄膜修复区域边缘的放大扫面电镜图。
d、e）外加电压为4V时，具有宽约380μm切口的尺寸大小为10 mm×30 mm PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7薄膜修复前（a）后（b）的扫描电镜图。
f）e中薄膜修复区域边缘的放大扫面电镜图。
a、d、e中的插图给出了水滴在膜相应破坏区域和修复后区域的的形状。

图六：a、b）具有宽约72μm切口的PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7薄膜，在812nm NIR（近红外光）照射下修复前（a）后（b）的扫描电镜图。
c）外加电压为4V时，尺寸大小为10 mm×30mm PFDT/AgNPs-AgNWs/(PCL/PVA)*7薄膜及其近红外修复后温度随时间的变化曲线。

【小结】
导电超疏水薄膜中的AGNPs-AgNWs层不仅可以提供微-纳米分层结构，使其具有超疏水性，而且还可以用作电热或光热加热器，从而在外加电压或低功率近红外作用下使底层的PCL/ PVA膜的自修复。因为PCL/ PVA膜和AGNPs-AgNWs层之间具有将强的粘附力，所以PCL/ PVA膜的修复性能会成功转移至整个导电超疏水层，这就使得该导电超疏水薄膜可以快速地反复修复由几百微米宽切口引起的超疏水性能的损失。电热性及超疏水特性相结合赋予了可修复导电超疏水薄膜更久的耐用性和更加有用的自清洁、防冰、除雪的能力，具有很好的工业应用价值。

文献链接：Applied Voltage and Near-Infrared Light Enable Healing of Superhydrophobicity Loss Caused by Severe Scratches in Conductive Superhydrophobic Films（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201601979）

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