德国卡尔斯鲁厄理工学院：3D打印整体超疏水材料

来源：高分子科学前沿

超疏水材料具有很大的水接触角(＞150 °) 和极小的滚动角(＜10°)， 因此在自清洁、防腐蚀、抗粘附、防冰霜等领域有广泛的应用前景。在材料表面涂覆超疏水涂层是一种常见的制备超疏水材料的方法。为实现超疏水性，该涂层需要具有较低的表面能和精巧的微/纳结构。然而，这种高度粗糙的表面往往机械稳定性差，不耐磨损，极大地限制了其实际应用。一种有效的提高超疏水材料机械稳定性的方法是将微/纳结构贯穿材料主体：当材料表面被磨损时，暴露的部分仍然具有微/纳粗糙结构，以保持材料的超疏水性。但是，这种整体超疏水材料通常通过挤出或浇筑法制备，无法得到形状复杂的结构，限制了其性能和应用。

为解决这一问题，德国卡尔斯鲁厄理工学院董哲勤博士和Pavel Levkin教授近期开发了一种新型的3D打印整体超疏水材料的技术。该工作在前期研究基础上（ Nat Commun2021, 12, 247），将相分离机制引入DLP 3D打印过程，通过调控聚合单体的疏水性和相分离动力学，得到了具有整体纳米孔结构的超疏水材料。由于3D打印技术的灵活性，该技术能够制备具有非常复杂3D结构的整体超疏水材料 （图1）。

图1. 3D打印整体超疏水材料的工作机理

由于普通的接触角测量法并不适用于3D物体表面润湿性能的表征，研究者们对打印物体进行了水滴黏附力的测试。结果表明，制备得到的3D整体超疏水材料表面对水滴表现出了极低的粘附力 (~ 3 μN)，证明了其优异的疏水性能（图2）。

图2. 3D打印整体超疏水材料的表征

研究者还对3D打印材料的机械稳定性进行了测试。结果表明，3D打印得到的整体超疏水材料能够在40次磨损后仍然能够拥有高度粗糙的表面，保持其对水滴的高接触角和低滚动角。与之相反，涂覆超疏水涂层的3D材料在多次磨损后丧失了其粗糙表面和超疏水性能 （图3）。

图3. 3D打印整体超疏水材料的机械稳定性

此外，研究者还展示了具有整体纳米孔结构的3D超疏水材料在油水分离和微流体器件中的应用。由于纳米孔结构的渗透性，该整体超疏水材料能够在阻挡水渗透的同时吸附油污（图4）或渗透气体（图5），在膜分离、微流控、三相反应器等领域有着重要的应用价值。

图4. 3D打印整体超疏水材料高效吸附油污

图5. 3D打印超疏水微流控器件

相关研究成果发表在近期的Advanced Materials上。第一作者为卡尔斯鲁厄理工学院博士后董哲勤博士，通讯作者是德国卡尔斯鲁厄理工学院Pavel Levkin教授。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106068