《Surface and Coatings Technology》：A scalable two-step hot-embossing strategy enabling durable superhydrophobic surfaces for anti-fouling and freshwater collection
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通过两步热 embossing 方法在聚丙烯基材上形成微米级阵列，嵌入二氧化硅纳米颗粒构建超疏水表面，兼具机械化学稳定性，适用于防污和集水。
王菲菲|林伟强|曹桂英|郑琳|陈林芳|黄晓萍|刘凯|叶云|陈章林
中国光电信息科技创新实验室，福建省福州市，350108，中华人民共和国
摘要
目前，现有的超疏水表面制备方法通常存在成本高、可扩展性差和长期稳定性有限的问题。在这项工作中，我们结合了增材和减材技术，开发了一种新型的两步热压印方法，能够低成本且可扩展地制备出机械和化学性质稳定的超疏水表面。首先通过初次热压印生成微米级阵列，然后在二次压印步骤中将疏水性SiO2纳米颗粒均匀嵌入到微柱表面上，形成层状微纳双尺度结构。所得的超疏水表面具有优异的耐候性、机械强度和化学稳定性，同时具有加工简便、制备周期短以及适合大面积生产的优点。此外，我们还通过实验验证了该表面在防污和淡水收集方面的显著应用潜力。
引言
作为独特的固-液-气三相界面，超疏水表面具有超过150°的静态接触角（SCA）和低于10°的滚落角（RA），在自清洁[1]、减阻[3]、防冰[5]、微流控[7]、[8]以及高效收集水或雾[9]、[11]等方面展现出巨大潜力。几十年来，学术界和工业界一直对这类表面保持着持续的关注。已知超疏水性主要由两个关键因素决定：层状微纳结构和低表面自由能（SFE）。人工超疏水表面可以通过在低SFE材料上构建微纳结构或用低SFE材料涂层粗糙表面来实现[12]、[13]。
超疏水表面的现有制备方法大致可分为“增材”和“减材”两种策略。“增材”策略是从下而上的方法，即在表面上引入第二种低SFE材料或加入高曲率的二次纳米结构，从而增强表面的疏水性。典型技术包括沉积[14]、[15]、电纺[16]和溶胶-凝胶法[17]。例如，Darmanin等人利用电化学沉积将3,4-乙烯氧噻吩（EOTT）引入玻璃基底，并结合氟化聚合物成分形成互锁的树枝状纳米结构[18]，从而获得超疏水表面。You等人通过两步电纺和热处理工艺制备了具有玉米芯状底层和荷叶状上层的超疏水膜，实现了153.6°的水接触角[19]。虽然增材方法可以实现简单高效的大面积制备，但存在固有的局限性：生成的微纳结构往往分布不均匀，难以保证大规模生产的均匀性和可控性；此外，超疏水顶层与基底之间的粘附力较弱，容易导致表面损坏[12]。
相比之下，“减材”策略是从上而下的方法，通过蚀刻和模板成型等技术在低SFE材料上创建微纳结构。Lin等人使用飞秒激光蚀刻在石英玻璃表面直接制备出分布均匀的坑阵列，保持了高光学透明度，并获得了耐用稳定的透明超疏水表面[20]。Gong等人采用热压印技术，首先通过皮秒激光烧蚀制备负结构模板，然后在130°C下将其压印到低SFE聚四氟乙烯（PTFE）基底上，实现了154.5°的接触角[21]。减材方法在微尺度阵列的控制上具有优势，非常适合设计具有定制形貌的超疏水表面。然而，其复杂性、高成本和低产量限制了其大规模应用[22]。值得注意的是，模板成型方法可以将预先制备的微纳结构转移到聚合物基底上，简化了制备过程并实现了有效的超疏水性[23]。不过仍存在挑战：（1）模板制备通常需要较长的蚀刻时间；（2）缺乏二次纳米结构可能会影响大面积表面的超疏水性均匀性。
在这项工作中，我们提出了一种结合了减材和增材技术的简单两步热压印工艺。第一步使用低成本的不锈钢网作为压印模板进行减材修饰，在聚丙烯（PP）基底上生成微米级粗糙度；第二步引入增材修饰：将疏水性SiO2纳米颗粒喷涂到压印表面上，再通过二次压印步骤在保持微米级结构的同时锚定二次疏水纳米结构。表征结果证实，这种两步工艺制备的表面在防污和淡水收集等应用中表现出优异的稳定性和性能。与仅采用增材或减材修饰的方法相比，这种组合方法为制备稳定、大面积的超疏水表面提供了可行的方法。
材料
熔点为164–170°C、密度为0.88 g/cm3的PP板材由东莞市利智源塑料有限公司提供。不同网孔大小的金属网由八旗金属网制品有限公司提供。本研究中使用的疏水性气相二氧化硅是上海Macklin生化科技有限公司销售的商业产品（纯度>99%，粒径7–40 nm），可直接使用。分散稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP），同样来自上海Macklin。
通过两步热压印策略提升超疏水性能
聚丙烯（PP）因其优异的加工性能和较低的固有表面自由能而被广泛用作聚合物材料。未经处理的PP表面疏水性较弱，静态水接触角（SCA）约为90°（本研究中为91.0°）。为了调整表面润湿性，我们在180°C、10 MPa的压力下使用不同网孔数的金属网进行热压印。光学显微照片（图2a）显示，网孔尺寸小于500目的金属网能够生成规则的立方柱状阵列。
结论
通过高效且低成本的两步热压印工艺，成功制备出了具有微纳层状结构的超疏水表面。该方法将疏水性SiO2纳米颗粒均匀锚定在微柱阵列上，不仅形成了高曲率、低SFE的二次纳米结构，还有效弥补了压印和缝合过程中产生的结构缺陷。
作者贡献声明
王菲菲：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。林伟强：概念构建。曹桂英：数据管理。郑琳：方法学设计。陈林芳：软件支持。黄晓萍：资源协调。刘凯：软件支持。陈章林：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、资金申请、数据分析、概念构建。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
陈章林表示获得了福建省自然科学基金的财政支持。其他作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了福建省自然科学基金（编号2025J011390、2023J01234）、Mindu创新实验室（编号2024RC101）以及清华大学新型陶瓷材料国家重点实验室（编号KF202418）的支持。
