《Progress in Organic Coatings》：Robust multifunctional protective textiles based on dispersion-enhanced PDMS/TiO?/Al(OH)? composite coating
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赵强|朱永佳|甘玉彤|姜阳|张红|赵跃旺|董琦|陈春辉塔里木大学纺织与服装学院，阿拉尔，843300，中国摘要随着现代工业的迅速发展和户外探索的扩展，对于能够承受复杂环境压力的坚固、多功能保护性纺织品的需求日益迫切。本文报道了一种通过简单分散增强策略制备的无氟PDMS/TiO?/
赵强|朱永佳|甘玉彤|姜阳|张红|赵跃旺|董琦|陈春辉
塔里木大学纺织与服装学院，阿拉尔，843300，中国
摘要
随着现代工业的迅速发展和户外探索的扩展，对于能够承受复杂环境压力的坚固、多功能保护性纺织品的需求日益迫切。本文报道了一种通过简单分散增强策略制备的无氟PDMS/TiO?/Al(OH)?复合纺织品。通过使用微米级Al(OH)?颗粒作为物理间隔剂，有效抑制了TiO?纳米颗粒的严重聚集，在纤维表面构建了均匀的微/纳米级粗糙结构。所得涂层具有优异的超疏水性（静态水接触角为160.5°，滑动角为7°），即使在经过5000次严格的Martindale磨损循环后仍能保持稳定。这种动态的液体排斥性能实现了高效的物理自清洁效果，而嵌入的TiO?则能够快速光催化降解有机污染物，实现了双重作用的自清洁功能。此外，该织物还表现出优异的紫外线屏蔽性能（UPF = 82.5）和出色的热管理能力（在受控红外照射下ΔT = 12.6°C）。这种环境友好的、可扩展的“垫-烘-固化”方法克服了机械耐用性与多功能性之间的常见矛盾，为苛刻的户外应用提供了先进的保护性纺织品平台。
引言
随着现代工业的快速发展以及户外探索范围的扩大，对坚固、多功能保护性纺织品的需求显著增加[1]、[2]、[3]。集超疏水性、自清洁能力、紫外线屏蔽和热调节于一体的智能纺织品在个人防护、军事伪装以及极端环境操作等领域展现出巨大潜力[4]、[5]。传统上，赋予织物优异的液体排斥性能依赖于表面粗糙度的构建与低表面能改性的结合。然而，传统上用于此目的的长链全氟和多氟烷基物质（PFAS）由于其对环境的长期影响和生物累积问题，面临日益严格的全球监管[6]、[7]。因此，开发环保、无氟且高性能的保护性涂层已成为纺织化学和材料科学中的重要挑战[8]、[9]、[10]。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为一种理想的无氟替代品，因其固有的低表面能、优异的热稳定性和环境友好性而受到青睐[11]。然而，固化后形成的光滑PDMS薄膜缺乏维持稳定Cassie-Baxter超疏水状态所需的微/纳米级粗糙度[12]、[13]。最近的开创性研究表明，要实现坚固的超疏水性，需要将PDMS基体与精心设计的层次结构无缝结合[14]。在这方面，二氧化钛（TiO?）纳米颗粒备受青睐，因为它们不仅增加了表面粗糙度，还赋予了关键的光催化和紫外线屏蔽功能。因此，将这些多功能无机纳米材料整合到聚合物基体中已成为先进涂层的重要趋势[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。然而，PDMS/TiO?复合材料的实际制备受到纳米颗粒不可避免聚集的严重阻碍。由于高表面能的作用，TiO?纳米颗粒会在聚合物基体内自发聚集，导致结构不均匀性和功能下降[20]、[21]。人们已经付出了大量努力来改善纳米颗粒的分散性；例如，赵等人[22]使用冷喷涂技术制备了无氟PDMS/STA/TiO?涂层，Kupalang等人[23]用硅烷偶联剂改性TiO?，其他人[24]、[25]则设计了复合纳米颗粒以提高耐用性和紫外线屏蔽性能。然而，这些现有方法通常需要复杂的化学改性、昂贵的前驱体或苛刻的加工条件，从而在通过简单和环保的制造途径实现高效纳米颗粒分散方面存在明显差距[26]、[27]。
为了解决这些限制，我们提出了一种简单、无氟的策略，利用氢氧化铝（Al(OH)?）微颗粒作为物理间隔剂来制备坚固的PDMS/TiO?/Al(OH)?多功能保护性纺织品。与依赖复杂化学交联的传统方法不同，这种方法将Al(OH)?微颗粒插入TiO?纳米颗粒之间，提供关键的立体阻碍，从而物理上阻止了聚集。同时，Al(OH)?丰富的表面羟基调节了局部介电环境，产生了协同的静电排斥作用。在这种双重机制的驱动下，有效抑制了纳米颗粒的严重聚集，消除了繁琐的化学改性和有毒溶剂的需求。
这种间隔剂促进的分散在纤维表面构建了均匀的多尺度层次结构，成功克服了近期研究中观察到的机械耐用性与综合功能之间的常见矛盾。所得复合纺织品实现了出色的超疏水性，静态水接触角（WCA）为160.5°，滑动角为7°。这种液体排斥性能能够承受5000次严格的机械磨损循环，显著优于传统的混合涂层。除了被动保护外，独特的结构设计还结合了优异的紫外线屏蔽（UPF 82.5）和出色的热管理能力（在红外照射下ΔT = 12.6°C）。通过结合低表面粘附性和内在的光催化作用，该织物进一步表现出协同的自清洁效果，能够物理排斥灰尘并化学降解有机污染物。这些综合能力突显了所提出的物理间隔剂策略的优越性，为先进的多功能纺织品提供了一个可扩展且环境友好的范例。
章节摘录
材料
乙酸乙酯、无水乙醇、二氧化钛（TiO?，P25，25 nm）、氢氧化铝（Al(OH)?，1 μm，>99.8%）和炭黑（30 nm）购自上海麦克林生化有限公司（中国上海）。聚二甲基硅氧烷（PDMS；Sylgard 184），包括基础成分和固化剂，由道康宁公司（美国）提供。聚酯-棉织物（80:20混合物，面积密度125 g/m2）来自新疆川棉纺织服装有限公司（中国新疆）。所有化学品
结果与讨论
开发坚固的多功能涂层在很大程度上依赖于有效的制备策略和稳定的分散性。图1a概述了用于构建耐用层次结构的简单垫层、烘烤和固化过程，该过程利用了TiO?纳米颗粒和Al(OH)?微颗粒在PDMS基体中的协同作用。这种结构整合直接转化为优异的液体排斥性能。如图1a所示，各种日常液体如纯水、可乐和牛奶
结论
总之，通过高效的分散增强策略，成功制备了一种坚固、无氟且多功能的保护性纺织品。微米级Al(OH)?的战略性引入作为有效的物理间隔剂，从根本上解决了TiO?纳米颗粒的聚集问题，并促进了PDMS基体内耐用微/纳米层次结构的构建。因此，所制备的复合涂层实现了优异的性能
CRediT作者贡献声明
赵强：撰写——原始草稿、方法学、资金获取、概念化。朱永佳：验证、研究、数据管理。甘玉彤：可视化、研究。姜阳：形式分析。张红：软件。赵跃旺：资源。董琦：验证。陈春辉：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢新疆生产建设兵团科学技术项目（2025DB006、2022DB011）、教师城科学研究攻关项目（2024GX02）以及塔里木大学青年研究人员校长基金（TDZKSS202436）的支持。
