华北电力大学庾翔、樊思迪ASS：基于表面嵌入喷涂策略制备超疏水芳纶纸

引用格式：

Yu X, Wang Q, Fu L, et al. Superhydrophobic meta-aramid papers prepared by the surface-embedded spray coating strategy. Applied Surface Science, 2024, 648: 159044.

间位芳纶纤维（PMIA）由于具有高机械强度、优异的热稳定性和出色的绝缘性能，成为下一代高性能纤维材料的理想选择。然而PMIA本身的亲水性（CA ~ 70°）限制了其在复杂条件下的实际应用，对于PMIA的超疏水改性研究具有紧迫性与深远意义。

本文报道了一种具有优异疏水性能和闪络强度的间位芳纶绝缘纸。该工作使用简单的喷涂法将六甲基二硅氮烷（HMDS）修饰的SiO₂纳米球均匀的半嵌入在表面形貌调控后的多孔微纳复合PMIA纸上，制备了具有超疏水性能和高湿闪、污闪强度的PMIA绝缘纸（图1）。最大接触角大于153°，最小接触角小于3°。且与改性前相比湿闪电压与污秽闪电压分别提高了194%和266%（图2）。这项工作提供了一种适用于PMIA且保留其本征优异性能的超疏水改性方法。

图1. 各样品的SEM和EDS图（每个样品的表面形貌用X-30 s/0 s表示，其中X为SiO₂掺杂浓度，0 s和30 s分别代表表面形貌调控前后的PMIA纸）：（a）0.4 wt%-30 s，（b）0.8 wt%-30 s，（c）1.2 wt%-30 s，（d）1.2 wt%-0 s，（e）1.6 wt%-30 s，（f）-（j）分别为（a）-（e）对应区域的放大图，（k）-（o）分别对应于（f）-（j）的EDS扫描图像。

图2. 各样品的润湿性：（a）不同SiO₂掺杂浓度下样品的接触角，（b）不同SiO₂掺杂浓度下样品的滚动角，（c）超疏水PMIA纸的水润湿特性侧视图，（d）超疏水PMIA纸的变压器油润湿特性侧视图，（e）同一张样品上的不同润湿特性展示图。

该研究成功通过PMIA独特的去质子化与再生特性，对PMIA纸的表面形貌进行调控形成多孔微纳复合表面，增加了疏水修饰的SiO2纳米球的附着位点（图3）。表面孔洞与SiO2纳米球相当的尺寸也为基底与涂层界面间提供了机械应力，且再生的纳米级PMIA纤维与SiO2纳米球之间形成氢键作用进一步促进基底与涂层界面结合。因此，制备出的超疏水PMIA纸相比于未进行表面形貌调控的疏水PMIA纸具有不错的耐磨损、耐高温性能。本文制备的超疏水PMIA纸可以抵抗100 g负载线性磨损12次而不失去超疏水性能；且在经历200℃高温老化72 h后超疏水性高度保留（图4）。同时，改性后PMIA纸的优异超疏水性能可以有效协同提升其湿闪、污秽闪性能。使用威布尔分布对闪络实验进行综合处理与分析，制备的超疏水PMIA纸的湿闪和污闪电压分别提升了194%和266%（图5）。

图3. 表面形貌调控前后的SEM图像：（a）纯PMIA，（b）多孔微纳复合PMIA及（c）放大视图。

图4. 表面形貌调控前后的疏水PMIA纸的机械和高热耐久性对比：（a）表面形貌调控后的抗磨损性能，（b）表面形貌调控前的抗磨损性能，（c）表面形貌调控后的抗高热性能，（d）表面形貌调控前的抗高热性能。

图5. 超疏水PMIA纸的沿面闪络性能：（a）不同SiO₂掺杂浓度下样品的湿闪电压，（b）闪络概率为63.2%时的湿闪电压，（c）不同SiO₂掺杂浓度下样品的污闪电压，（d）闪络概率为63.2%时的污闪电压。

图6. 湿闪过程中水滴动态特性机理图：（a）和（b）纯PMIA纸，（c）和（d）超疏水PMIA纸。

总结与展望

综上所述，PMIA纸通过其独特的表面嵌入式附着涂层实现超疏水性能。PMIA纸的微纳米多孔表面结构为涂层材料提供了大量的附着点，改性后的SiO2与PMIA界面形成机械互锁，抗磨损和抗热老化特性表明，超疏水PMIA纸具有优异的稳定性。与纯PMIA纸对比，湿闪电压和污闪电压分别提高了194%和266%。通过研究水滴在闪络过程中的动态行为，湿闪性能的提高可归因于超疏水PMIA表面的低粘附性。在高电场力的驱动下，低粘附性有助于水滴在表面上游荡，而不是以变形的姿态粘附在表面上。此外，我们优化的超疏水PMIA纸张还具有变压器油的超亲油特性。PMIA去质子化和再生过程不会影响其绝缘强度，这为绝缘纸在潮湿甚至更复杂环境中的应用提供了有利条件。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.159044

目前，该项工作以Superhydrophobic meta-aramid papers prepared by the surface-embedded spray coating strategy为题发表在Applied Surface Science上。华北电力大学电气与电子工程学院樊思迪副教授为论文通讯作者，庾翔副教授为论文第一作者，硕士生王齐斌、傅律乾和申光忆等对该研究做出了重要贡献。该研究受到国家自然科学基金委的资助。

中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。

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