近年來，水下光學系統（如攝像頭、傳感器）在海洋探測、離岸工程和生態監測等領域扮演著越來越重要的角色。然而，長期服役中面臨的生物附著、腐蝕和機械磨損等問題嚴重影響了其光學性能與可靠性。傳統防污技術如親水涂層易受水分子滲透影響，導致機械性能下降；液體注入多孔表面依賴復雜微結構，且潤滑層易流失；而含氟涂層雖性能優異卻存在環境毒性。當前亟需一種能夠兼顧高透明度、強韌機械性能、長效防污能力且環境友好的新型涂層解決方案。
針對這一難題，近日，福州大學賴躍坤教授團隊成功開發出一種基于一步法無溶劑雙固化策略的無氟全疏透明涂層（PEHMC）。通過構建環氧樹脂（EP）與雙固化劑（HDIT/MHIR）及有機硅（HO-PDMS-OH）互穿的致密網絡，同步實現了>99.1%的高透明度、7-9H鉛筆硬度、10000次彎曲的極佳柔韌性，以及對低表面張力液體滑動角<4.1°的優異全疏性能，為水下光學系統提供了一種綠色、高效、耐久的保護方案。
2025年12月12日，相關工作以One-Step Solvent-Free Dual-Curing Strategy for Fluorine-Free Omniphobic Coatings: Synchronizing High Transparency, Durability, and Antifouling in Underwater Optical Systems為題發表在《Advanced Functional Materials》上。
研究的創新點
1. 同步雙固化雜化網絡。
采用環氧樹脂（EP）為基體，引入HDIT（賦予柔韌性與防污）和MHIR（賦予硬度與化學穩定性）作為雙固化劑，構建剛柔并濟的互穿網絡，實現性能互補與協同。
2. 有機硅表面自遷移增強全疏性。
引入端羥基聚二甲基硅氧烷（HO-PDMS-OH），在熱固化過程中自發遷移至涂層表面，形成動態平滑的“液體狀”界面，顯著降低表面能，賦予優異全疏與自清潔能力。
3. 一步法無溶劑刮涂成型。
所有組分混合后通過簡單刮涂與熱固化一步完成，無需有機溶劑、無氟添加，工藝綠色簡潔，易于規模化制備。
核心研究內容與結果
1. 涂層設計與基礎性能。
圖1系統展示了PEHMC涂層的設計理念、制備工藝與基礎性能。該涂層采用創新的“雙固化雜化互穿網絡”策略，以環氧樹脂（EP）為基體，同時引入六亞甲基二異氰酸酯三聚體（HDIT）和高亞氨基三聚氰胺甲醛樹脂（MHIR）作為雙固化劑，構建了剛柔并濟的雜化網絡結構。其中HDIT主要貢獻柔韌性和表面防污特性，MHIR則提供硬度和化學穩定性。端羥基聚二甲基硅氧烷（HO-PDMS-OH）的引入并通過熱誘導自發遷移至涂層表面，形成了動態平滑的“液體狀”界面。實驗數據顯示，涂層在190℃固化溫度下達到最佳性能平衡：厚度15 μm時透光率超過99.6%，鉛筆硬度達7H；厚度45 μm時硬度可達9H，且對低表面張力液體（22.3-28.8 mN/m）的滑動角小于4.1°。經過1600次鋼絲絨磨損測試，涂層水接觸角僅輕微下降，展現出優異的耐磨性。
2. 涂層結構與熱性能表征。
圖2通過多種表征手段深入揭示了PEHMC涂層的微觀結構與熱力學特性。表面形貌分析顯示，涂層表面極其平整光滑：掃描電子顯微鏡（SEM）圖像未觀察到明顯粗糙特征，原子力顯微鏡（AFM）測得的表面粗糙度Ra僅為1.29 nm。能量色散X射線光譜（EDX）分析證實Si元素在涂層中均勻分布，且隨著固化溫度升高，表面的Si含量顯著增加，表明HO-PDMS-OH在熱作用下向表面富集。衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）分析確認了所有反應基團的完全轉化，特征峰表明形成了穩定的聚氨酯/聚醚交聯網絡。熱分析結果（TG-DSC）顯示，涂層體系具有優異的熱穩定性，在溫度達到200℃時開始發生緩慢分解。動態力學分析則表明，PEHMC190涂層具有相對最高的儲能模量，交聯密度計算值與硬度測試結果高度相關，揭示了微觀結構與宏觀性能之間的內在聯系。
3. 多功能性能展示。
圖3全面展示了PEHMC涂層的多功能性能及其各組分間的協同效應。通過對比PEMC（不含HDIT）、PEHC（不含MHIR）和完整PEHMC涂層的性能差異，清晰揭示了雙固化體系的協同優勢？雇盔f實驗顯示，墨水在PEHC、PEHMC表面可輕松擦拭干凈。電化學測試結果更為顯著，在模擬海水中浸泡7 d后，PEHMC的阻抗模量仍保持在1.6×106 Ω的高水平。極化曲線顯示PEHMC腐蝕電位正向偏移至0.18 V，腐蝕電流密度低至3.25×10-9 A/cm2，防腐性能遠超單獨組分涂層。這些結果充分證明，雙固化體系構建的致密交聯網絡不僅提供了優異的機械屏障，還通過各組分的協同作用實現了多功能的集成。
4. 長期耐久性測試。
圖4系統評估了PEHMC涂層在嚴苛環境下的長期耐久性能。力學耐久性測試表明，涂層經歷700 g砂粒從1 m高度沖擊后，水接觸角僅輕微下降；經過1000次膠帶剝離循環，涂層仍保持優異的附著力；劃格法測試達到最高等級5B；在10000次彎曲循環（彎曲半徑為1 mm）后，PET基底上涂層的霧度僅增加0.34%，透光率損失僅0.6%，展現出卓越的柔韌性。化學穩定性測試顯示，涂層在極端pH環境（pH 1-13）中浸泡42 d后，疏水性能保持穩定；在多種有機溶劑中浸泡120 h，光學性能無明顯變化。防污性能測試結果尤為突出：在模擬海水中浸泡7 d，涂層的透光率和霧度幾乎不變；4 d蛋白質吸附測試顯示，牛血清蛋白的吸附密度比未涂層基底降低超過90%；對人工血液、醬油、甘油等多種復雜液體均表現出良好的排斥性，滑動角均低于18°。這些結果表明，涂層通過致密交聯網絡和表面富集的有機硅鏈段，構建了熱力學和動力學雙重防污機制。
5. 水下防污演示。
圖5通過實際應用場景演示了PEHMC涂層在水下環境中的卓越性能。14 d小球藻附著測試顯示，未涂層玻璃和鋼材表面積累了厚厚的生物膜，難以通過簡單水沖洗清除；而PEHMC涂層表面僅附著微量藻類，在水流作用下即可實現自清潔。28 d長期水下測試結果更為顯著：智能手機成像模擬實驗表明，沒有涂層涂覆的樣品因污染和鹽沉積導致成像嚴重模糊，而PEHMC涂層保護的玻璃仍保持出色的光學清晰度；鋼材表面測試中，沒有涂層涂覆的樣品出現明顯腐蝕和生物附著，而PEHMC涂層表面依舊光潔如新，無明顯腐蝕跡象。這些實際應用演示充分證明，PEHMC涂層不僅具備優異的防生物附著能力，還能有效抵抗海水腐蝕，實現了防污與防腐的雙重功能集成。涂層表面形成的動態平滑界面能最大限度減少污染物與基底的接觸面積和相互作用力，在水流環境下表現出被動防污與主動自清潔相結合的工作機制，為水下光學設備和海洋工程結構的長期可靠運行提供了切實可行的解決方案。
總結與展望
1. 總結：
本研究通過一步法無溶劑雙固化策略，成功開發出一種無氟、高透明、強韌且全疏的防護涂層PEHMC，系統解決了傳統涂層在透明度、機械強度與防污性之間的長期矛盾，具備優異的附著力、環境適應性和規；苽錆摿。
2. 展望與思考：
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臨床與工程轉化：涂層在海洋光學、水下傳感器、醫療器械等場景具有直接應用前景，下一步可開展實際海域長期掛片試驗及標準化工藝放大研究。
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機理深化：可進一步研究涂層表面動態硅鏈的遷移與重建機制，以及其在復雜生物污染環境中的長期界面行為。
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材料拓展：該雙固化雜化策略可推廣至其他樹脂體系（如聚氨酯、丙烯酸酯），開發更多功能集成型涂層。
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可持續性評價：未來可對涂層全生命周期環境足跡進行評估，進一步提升其綠色制造水平。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202520785
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