近日，青岛科技大学华静教授团队在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一区TOP，IF=18.5）发表了题为“Multi-Scenario Applications of Fluoro-Free Super Liquid-Repellent Particles Prepared Through Excluded Volume Effect”的研究论文（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410299）。博士生刘玉冬为该论文第一作者，华静教授、刘凯教授为通讯作者，青岛科技大学为第一完成单位。
超疏水材料以其优异的拒液性和防污性在表面集水、防冰和自清洁等领域有着重要的应用。但是，拥有最小表面张力全氟化合物在不同场景下都成为了首先的选择，并没有对其进行理想的设计和选择。这导致了全氟化合物的粗糙和泛滥使用，在人体血液和野生动物的血液中均发现的全氟化合物的积累，可能提高癌症和心脏疾病等疾病的病发几率。
利用无氟的橡胶柔性分子链的“排除体积”效应对微纳米粒子进行包覆，成功制备超驱液粒子，可将其通过喷涂和浸涂的方法在不同基材（玻璃、木材和纸张）表面，并化学键合到表面，实现对材料低表面张力液体的防护，其抗污液体的表面张力为40~42 mN/m，实现了无氟材料文献报道的最高水平。
具有优异高弹性和耐磨性的橡胶材料，在汽车轮胎、密封件、鞋底等多个领域具有成熟的应用。课题组对于聚丁二烯橡胶从结构设计和实际应用具有了系统深入的认知。基于此研究者通过调控聚丁二烯柔性分子链的微观结构，控制其在溶液中的行为，制备软壳-硬核结构的超疏水（超驱液）粒子。
a.具有软壳-硬核结构的疏水粒子制备示意图; b. 粒子TEM图片
研究者首先利用溶剂小分子将聚丁二烯高分子链进行解缠结。利用柔性高分子链对无机粒子产生环绕效应实现无机粒子的有效包覆，并利用排除体积控制其包覆厚度达到疏水改性效果。进一步采用反应定位能力强和反应高效快速巯基-烯点击反应将高分子链迅速铆钉在粒子表面，实现粒子超长效的疏水能力。
不同分子量聚丁二烯在不同温度下的不同溶剂中包覆后的粒子粒径
使用喷涂和浸涂两种方法在玻璃、木材和纸张表面进行超疏水表面的制备。SEM图像显示，超疏水表面具备多级的、丰富的微纳米结构，不仅在涂层表面形成了粒子堆叠的一级结构，同时在粒子表面还有丰富的乳突结构形成了二级结构和三级结构。
喷涂和浸涂两种方法所制备的疏水表面的SEM图像
可以实现对低表面能（42.6 mN/m）液体良好的拒液能力，接触角均可达到150°以上，如图。这可满足绝大部分的油水混合场景（＞45 mN/m）所需要的拒液要求。
所制备超驱液表面的不同表面能液滴的接触角
液滴的滞空时间越长，表面的驱液能力就越强，聚丁二烯所处理的表面高于目前常用的疏水改性剂，接近全氟化合物体系。
液滴在不同表面的弹跳行为
此超驱液粒子可以对表面张力低至中等的水基污染液体（44~60 mN/m）实现良好的拒液性的，而无需使用全氟烷基化合物（一种持久的环境和生物累积危害）。并且与涂层基体不仅具有良好的界面结合力，具有耐磨性和耐久性，同时可以循环使用，对于其复杂的表面结构来说，这极大的降低了超疏水表面的使用成本。更重要的是，得益于柔性高分子链良好的运动性，疏水外衣是具有多变性的，可以实现对不同形状和表面化学性质的粒子（海泡石、蒙脱土、MAX和Mxene）进行包覆，为利用不同粒子实现超疏水表面多功能化提供了解决思路。
论文题目：Multi-Scenario Applications of Fluoro-Free Super Liquid-Repellent Particles Prepared Through Excluded Volume Effect
论文作者：Yudong Liu, Xiaofan Zhu, Zhenhao Zhang （高分子学院本科生）, Jiahao Zhang（高分子学院本科生）, Shengkai Li, Liyun Guo, Jinhui Liu, Kai Liu*, and Jing Hua*
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410299
