电场响应性PVDF/PMMA智能超浸润表面

表面润湿性和粘附性可调的智能材料表面在微流控技术、自清洁、防雾等领域有着广泛的应用需求。材料表面的液滴接触角以及其排斥/粘附性能是调控材料表面功能性的两个重要参数。目前，借助温度、pH、磁场、光等化学/物理/生物刺激等诸多方式能够实现材料表面润湿性和粘附性的精细调控。其中，电场（EF）变换作为一种无损、快捷、简便、可逆的外界刺激诱导方式，在材料表面性能调控方面展现出独特的优势。

近日，捷克化学技术研究所Oleksiy Lyutakov研究团队采用静电纺丝技术制备聚偏氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯（PVDF/PMMA）复合纤维，经过不同的表面亲水或疏水修饰后，该纤维材料表面在电场诱导刺激下展现出超灵敏的从超疏水→超疏油-亲水→亲油的表面润湿性变化以及水滴/油滴高粘附到低粘附的可逆调节。机械处理测试表明该智能纤维材料表面具有卓越的性能稳定性，在实际涂层应用中呈现优异的自清洁性能。

PVDF/PMMA纤维的制备与修饰。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究团队选用商业化PVDF和PMMA作为原材料，静电纺丝制备的纤维膜表面呈现较好的疏水性能和表面润湿性电场刺激响应性。进一步基于重氮化学在纤维表面分别接枝−COOH和−C₈F₁₇功能基团进行亲水/疏水改性，能够显著调节材料表面的水滴/油滴初始润湿性及其电场刺激响应性。

在变化电场刺激诱导下材料表面能发生较大变化，原始PVDF/PMMA纤维表面能够实现水接触角135°↔ 85°的可逆调节；经过−COOH修饰后材料表面可实现从疏水到亲水的快速（0.1 s/7 s）可逆调控（95°↔ 35°）；经过−C₈F₁₇修饰改性后，材料表面实现了超疏水/疏油到亲水/亲油的可逆转变。即便经过多轮电场开关循环，各纤维的初始和电场刺激状态的接触角数值变化不大。

PVDF/PMMA纤维表面液滴接触角与电场刺激。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

不同PVDF/PMMA纤维表面润湿性可逆调控。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

通过增液/减液法对不同纤维表面水接触角滞后进行表征，原始PVDF/PMMA纤维、-COOH及−C₈F₁₇修饰改性纤维表面其接触角滞后分别为47°、8°和6°。表明在该体系中材料表面化学组成对材料表面性能具有重要影响。

材料表面接触角滞后测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究人员进一步对不同纤维表面水滴粘附性进行表征，结果表明只有经过−C₈F₁₇修饰改性的PVDF/PMMA纤维展现出较大的电场刺激粘附性转变。在电场刺激下（0.8 V/μm）滚动角能够实现从4°到高粘附状态的可逆快速转变（响应时间少于10 s），循环10次材料性能无损失。

材料表面粘附性刺激响应性测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

这一材料表面润湿性及粘附性的可逆调控性，使其在可控油/水分离、微流控技术、液滴转移、液滴控制传输等诸多方面有着重要的潜在应用。此外，-C₆H₄-C₈F₁₇-修饰改性PVDF/PMMA纤维表面具有超疏水/超疏油特性，在电场刺激下转变为亲水/高粘附转态，使得水滴能够浸润到材料表面。关闭电场刺激，材料表面恢复超疏状态后能够使得水滴将表面污染物带走，呈现卓越的“荷叶”自清洁效果。

智能材料表面应用展示。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

总结

本文基于PVDF/PMMA构筑电场刺激响应性材料表面，借助化学后修饰实现了材料表面润湿性/粘附性及其电场刺激响应性的精细调控。该智能材料表面展现超迅速的表面浸润性可逆调控性和性能稳定性，在可控油水分离、液滴微流控以及自清洁涂层等方面具有重要的应用前景。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Smart, Piezo-Responsive Polyvinylidenefluoride/Polymethylmethacrylate Surface with Triggerable Water/Oil Wettability and Adhesion

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 37461–37469, DOI: 10.1021/acsami.8b06840