共价接枝的PDMS链使得UV光固化超支化PUA涂层兼具协同性的全疏水性和光学透明度

《Progress in Natural Science: Materials International》：Covalently grafted PDMS chains enable UV-curable hyperbranched PUA coatings with synergistic omniphobicity and optical transparency

透明抗污涂层通过点击化学共价接枝聚二甲基硅氧烷（PDMS）至紫外固化超支化聚氨酯丙烯酸酯（PUA）基质，解决低表面能添加剂与极性聚合物基体相容性问题，实现纳米级PDMS分散和宏观相分离抑制。该涂层具备优异的油水双亲抗污性能、耐紫外和化学腐蚀性，以及快速非热UV固化特性，适用于太阳能电池封装、防污显示屏和柔性电子等高光学透明需求场景。

　　透明抗污渍涂层在现代电子、能源和建筑领域中具有重要的应用需求，尤其是在需要同时具备疏水性和疏油性的场景中。然而，低表面能添加剂与极性聚合物基体之间的相容性问题常常导致结构缺陷和光学性能的损失。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于点击化学的新型紫外固化超支化聚氨酯丙烯酸酯（PUA）涂层，通过共价接枝聚二甲基硅氧烷（PDMS）来实现多功能性。该涂层不仅具备优异的抗污渍性能，还能够在紫外照射和化学腐蚀条件下保持结构稳定。同时，该涂层无需使用氟化物，具有较高的光学透明度和良好的环境适应性，为光伏封装、防污显示屏幕和柔性电子等应用提供了潜在的解决方案。

在现代社会，随着表面污染问题在多个行业中日益突出，其对可持续发展构成了严峻挑战。在建筑领域，玻璃幕墙暴露于酸雨、颗粒物和生物膜中，会降低透光率并加速老化。在纺织品方面，表面污染不仅影响颜色牢度，还可能为病原微生物（如金黄色葡萄球菌）提供滋生环境，从而引发公共卫生问题。而在可再生能源领域，太阳能板上的灰尘和污垢会增加反射率，减少发电效率。这些实例表明，提升涂层的耐久性、功能稳定性和成本效益是推动防污技术发展的核心。因此，开发长效防污涂层和智能自清洁系统已成为学术界和工业界共同关注的重点。

在此背景下，研究趋势正逐步向多功能超疏水材料转变，以应对复杂的环境挑战。例如，张等人报告了一种集成了光热效应的超疏水铜泡沫，能够通过现场降低原油粘度，实现快速太阳能辅助吸附高粘度原油。在另一项研究中，张及其团队结合了太阳能驱动的界面蒸发与光催化降解，在单一PDMS基超疏水系统中实现了高效的海水淡化和染料废水处理。这些先进的功能特性凸显了对智能和多功能涂层解决方案日益增长的需求。

随着这些新兴需求的出现，现代社会对材料在不同行业中的性能提出了更高的要求。传统的涂层材料在满足实际需求方面存在诸多困难，特别是在环境友好性方面。当前的防污技术大多依赖于含氟涂层，但关于全氟化合物（PFCs）如全氟辛烷磺酸（PFOS）在这些涂层中的生物累积潜力的担忧，促使研究转向无氟替代方案。研究人员提出通过构建表面粗糙度（如诱导Cassie-Baxter状态）来实现疏水性，这种方法能够捕获足够的空气泡。然而，这种方法在引入纳米颗粒时，会增加光散射，导致透光率下降至70%以下。此外，相分离的易发性也会影响涂层的稳定性，限制了其工业规模应用。同时，空气泡结构的机械稳定性也限制了这些表面的实际应用价值。如果外部液滴穿透这种分层结构并排开被捕获的空气泡，超疏水性就会失效。

为了应对这些挑战，研究人员同时探索了在材料表面构建滑动液体浸润多孔表面（SLIPS）的方法。SLIPS技术涉及将低粘度润滑剂（如硅油、离子液体）浸润到多孔基底中，从而形成分子级光滑的界面，使污染物滑动角度低于5度。其优势在于卓越的抗粘附性能，特别是在应对高粘度液体时表现出色。然而，由于蒸发、洗涤或热降解导致的润滑剂流失，需要定期补充。此外，多孔结构的制造（如通过阳极氧化、静电纺丝）通常成本高且工艺复杂，限制了大规模应用。

尽管这些技术在某些方面表现出色，但它们在协同优化机械耐久性、环境兼容性和可扩展性方面仍面临挑战。为了解决这些问题，研究人员提出了替代的制备策略。例如，陈和龚采用了一种电化学阳极氧化方法，快速构建了铜网上的微/纳米结构，实现了高通量的油水分离。吴等人则开发了一种绿色、单宁酸基的原位生长方法，用于制备“三明治结构”涂层，即使在处理高粘度油时也表现出优异的分离性能。这些策略体现了向可扩展和环保的先进表面润湿性控制路径的转变。然而，开发结合仿生功能和工程应用的新型复合涂层仍然是核心挑战。此外，大多数上述研究依赖于热固化，这可能导致高能耗和操作不便。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其独特的物理化学性质，被认为是开发下一代无氟全疏涂层的理想候选材料。PDMS的极低表面能（20.4 mN/m）源于其柔性硅氧烷主链上密集排列的低活性甲基基团，这为液体的排斥提供了内在驱动力。更重要的是，PDMS的Si-O-Si主链具有约448 kJ/mol的高键能，赋予其出色的热稳定性和抗紫外线降解能力，确保其在户外应用中的长期耐久性。此外，硅氧烷链的高柔韧性（玻璃化转变温度约为-125°C）允许其在固化过程中快速重新排列，以呈现低能界面。这些综合特性使PDMS成为制备稳定、耐用且环保的功能涂层的首选材料。

紫外固化超支化聚氨酯丙烯酸酯在紫外固化涂层领域中迅速发展，因其优异的综合性能和较低的污染特性。该材料含有极性尿素键，其分子在接触界面层中根据吸附理论相互吸附，从而产生粘附力。具有极性基团的聚合物表现出增强的粘附能力。同时，交联后的不饱和聚酯在固化过程中表现出更高的硬度和耐磨性，这是由于分子间氢键和高交联密度的作用。

本研究提出并提供了实验证据支持这样一个假设：通过点击化学将PDMS链共价接枝到紫外固化超支化聚氨酯丙烯酸酯（PUA）基体中，可以制备出一种结合全疏表面特性和高光学透明度的涂层。这种分子结构设计旨在减少传统聚合物共混物中常见的宏观相分离现象。PDMS被选为功能性基团，因其低表面能、高链柔韧性和与Si-O-Si主链相关的相对较高的热和光化学稳定性。我们进一步表明，紫外固化过程似乎促进了PDMS段向空气-涂层界面的迁移，从而形成超光滑、低能的表面。与基于纳米颗粒的Cassie-Baxter方法和润滑剂浸润的SLIPS相比，我们的策略分别解决了光学散射和润滑剂流失的问题。通过采用快速的紫外固化方法，本研究展示了一种无氟、具有可扩展性的抗污渍涂层，适用于太阳能板和电子显示屏等设备。