四川大学傅强/邓华教授团队《Small》：自粗糙PDMS超疏水透明涂层

透明超疏水表面是指水接触角（WCA）>150°、水滑动角（WSA）<10°和透明度>80%的表面。实现超疏水要求表面具有粗糙的微纳米结构和低表面能。由于PDMS本身具有低表面能（20-22 mN/m），因此设计基于PDMS的透明超疏水涂层的必要方法是制造具有小于可见光波长的表面微纳结构。目前的研究采用了三种策略在PDMS上实现微纳结构，1）添加微/纳米颗粒：在溶剂挥发过程中，通过颗粒组装/聚集的方式，辅助粗糙表面的形成。然而，这种方法由于纳米粒子增强的光散射而降低了透明度，并且不可避免地使用有机溶剂进行均匀分散；2）高温PDMS沉积形成粗糙度：即通过施加高温使PDMS挥发在待处理表面，形成表面粗糙度。但是，这种方法对基材具有选择性，仅仅适用于耐高温材料（>350 °C）；3）通过将极性链段整合到PDMS链中，由于溶解度参数的差异，相分离使得表面形成非均匀结构。这种方法由于引入了极性聚合物链段而降低了疏水性，而且耗时、不环保且需要复杂的化学合成。相比之下，在基底上涂覆纯PDMS可以避免这些限制，但WCA限制在<130°, 远低于超疏水所需达到的值(>150°)。这是因为液态PDMS前驱体在完全固化之前在基底上充分蔓延扩散，导致表面粗糙度极低。目前为止，开发一种普适、环境友好、由纯PDMS形成透明的、超疏水涂层仍然困难。

鉴于此，团队开发了一种具有可控表面微/纳结构的“自粗糙”超疏水透明PDMS涂层。首先合成了具有不同液滴尺寸的PDMS悬浮液，并将其用作粗糙表面形成的构筑基元。通过促进PDMS液滴的快速交联动力学，使液滴在完全扩散之前在加热的基板上迅速固化锚定，实现自粗糙的表面微结构（图1）。通过调节液滴尺寸、悬浮液浓度、基材温度和喷涂循环等因素对表面拓扑结构进行了调节，缓解了透明性和疏水性之间的权衡（图2）。其中，最优的涂层实现了155.4°的WCA，并保持了高可见光透明度（T550 = 82.3%）。同时，所采用的喷涂技术可以灵活地促使各种表面超疏水，而不会干扰它们的外观（图3）。进一步，所提出的涂层可以整合到透明的电热膜上，其疏水表面使得电热装置在多水和污染环境下具有稳定、均匀的加热和自清洁行为（图4）。基于此，疏水加热装置可以用作观察窗，在零度以下的环境中长期运行时保持高透明度。总之，所提出的疏水性PDMS涂层的简单合成方法为纯PDMS形成粗糙表面开辟了一条新途径，在大规模制备无氟、环保的超疏水表面方面具有广泛的应用潜力。该工作以Fast-Crosslinking Enabled Self-Roughed Polydimethylsiloxane Transparent Superhydrophobic Coating and Its Application in Anti-Liquid-Interference Electrothermal Device”为题发表在《Small》上。文章第一作者是四川大学高分子科学与工程学院博士生田可，傅强教授和邓华教授为通讯作者，该研究得到国家自然科学基金委的资金支持。

图1. “自粗糙”PDMS疏水涂层形成机理

图2. 涂层性能优化和结构-性能关系

图3. 涂层在不同基材表面的普适性

图5. 透明抗液体干扰、自清洁电热和透明观察窗

原文链接：