通过静电喷涂工艺制备的超疏水涂层，同时具备防冰、除冰功能以及优异的机械耐久性

《Progress in Organic Coatings》：Electrostatically sprayed superhydrophobic coating with integrated anti-icing, deicing, and robust mechanical durability

抗冻防冰涂层设计与应用研究|电喷雾粉末喷涂|SiC/SiO?/酚醛树脂复合涂层|光热协同防冻|环保高强涂层

　　

郑恩泽|刘雅倩|季国军

内蒙古工业大学化学工程学院，呼和浩特，010051，中国

摘要

表面结冰会导致巨大的经济损失和安全隐患，因此迫切需要全面的防冰策略，而这在科学和技术上仍然具有挑战性。在这项研究中，通过静电粉末喷涂技术在Q235碳钢表面制备了一种无氟的光热超疏水涂层，该涂层兼具防冰、除冰、抗腐蚀和优异的机械稳定性。涂层的主要成分包括改性碳化硅（SiC）粉末、改性碳化硅凝胶和酚醛树脂（PF）。所得材料表现出优异的超疏水性，改性碳化硅凝胶增强了涂层与基底之间的界面作用，从而提高了机械耐久性和耐候性。在3.5 wt%的NaCl溶液中的电化学测试证实了其出色的抗腐蚀性能。在模拟阳光照射下，该涂层表现出高效的光吸收和光热转换能力，仅需11秒即可完全去除水滴，表明其在主动和被动效应共同作用下的防冰和除冰性能非常出色。在-20°C时，处理过的表面结冰时间比未处理过的表面延迟了6.5倍。这种涂层具有高强度、环保性以及高效的防冰/除冰性能，为实际应用中的长期防冰保护提供了有前景的解决方案。

引言

Q235碳钢作为一种典型的碳结构钢，因其低成本和优异的机械性能而被广泛使用[1]。然而，冰、雪和霜等自然现象很常见，当Q235碳钢表面结冰时，会显著降低设备的性能和运行效率，给日常生活和工业生产带来诸多不便，甚至威胁到人类生命和财产安全[2]、[3]。

传统的除冰方法，如机械振动除冰、化学除冰和热除冰，在工程实践中得到了广泛应用，但它们都存在效率低、环境污染严重和能耗高的问题[4]。受荷叶效应的启发，超疏水表面因其独特的被动防冰性能（如延缓结冰时间和降低冰的附着力）而受到广泛关注[5]。然而，在低温高湿度条件下，超疏水表面的微纳结构容易发生冰的互锁，导致冰的附着力显著增加，并对微纳结构造成不可逆的损伤[6]。因此，仅依赖被动机制的超疏水涂层难以有效解决Q235碳钢表面的结冰问题。目前，防冰涂层研究的主流方向转向了主动/被动协同的防冰和除冰技术[7]。这种策略通过将超疏水微纳结构与外部能量输入（如电热或光热能）相结合，实现了全天候的高效防冰和除冰[8]。李等人开发了一种具有稳定超疏水性和优异电热效应的微结构超疏水薄膜[9]。通过抑制结构内的液滴和冰晶成核，实现了主动-被动协同的防冰和除冰效果，表现出低功耗和快速除冰的特点。主动/被动协同的防冰和除冰技术通过将超疏水微纳结构与外部能量输入（如电热或光热）相结合，实现了全天候的高效防冰和除冰，为解决Q235碳钢等材料表面的结冰问题提供了可靠的技术途径[10]。在低温高湿度复杂环境中，这是解决结冰问题的必然选择。

目前制备防冰涂层的方法（如光刻、等离子体蚀刻、浸涂、飞秒激光加工[11]等）在特定场景下具有一定的技术价值，例如它们可以精确控制涂层的微观结构，从而赋予其特定的疏水或防冰性能[12]。然而，这些方法通常工艺复杂、成本高、涂层均匀性差，且难以适应形状复杂的基底，严重限制了其工业化推广和大规模应用[13]。周等人采用EPS方法制备了一种聚酯/PTFE/SiO₂复合超疏水涂层[14]。结果表明，该涂层表现出优异的超疏水性能，除冰时间缩短了近一半，冰的附着力降低了87%。EPS工艺的材料利用率极高，结合有效的粉末回收系统，转移效率可达99%，显示出显著的经济可行性[15]。此外，整个过程不需要溶剂，也不会释放挥发性有机化合物（VOCs），进一步突出了其环保优势，为防冰涂层的工业化生产提供了可靠的技术途径。尽管静电喷涂在涂层制备领域显示出显著优势，但目前仍存在一些亟待解决的问题，如相关研究较少，关键指标（如耐磨性）的表现不尽如人意[14]。因此，深入研究静电喷涂制备的涂层性能对于优化工艺参数、提高涂层的综合性能以及促进其在防冰等领域的实际应用具有重要意义。

考虑到主动和被动协同除冰技术以及静电喷涂技术的应用，在本研究中，首先在Q235碳钢表面涂覆改性碳化硅凝胶，然后采用静电粉末喷涂方法制备了超疏水SiC/SiO₂/酚醛树脂复合涂层。考虑到经济成本和环保性，分别使用非氟化的十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS）和十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）作为SiO₂和SiC的疏水改性剂。碳化硅在可见光到红外波段具有较高的吸收率，可以与SiO₂的紫外线吸收特性相结合，拓宽涂层的太阳光谱吸收范围，并具有优异的光热转换性能。在主动和被动协同除冰性能下，冰可以在11秒内脱落。此外，添加碳化硅还可以形成硬质相网络结构，有效抵抗冰层的摩擦和机械磨损，提高涂层的耐磨性。

材料

研究基底选用尺寸为20 mm × 20 mm × 1 mm的Q235碳钢。使用前先用砂纸打磨，然后用酒精擦拭，最后吹干。乙醇（EtOH，≥ 99.7%）和纳米二氧化硅（99.5%金属基，15 nm）购自中国上海阿拉丁生化科技有限公司。十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS，95%）、十八烷基三甲氧基硅烷（OTS，95%）和氨水（25–28%，蒸发残渣≤ 0.002%）购自上海麦克林公司

涂层制备和结构分析

为了提高涂层的防冰和除冰性能，在涂层中加入了改性碳化硅（SiC）。图2a展示了SiC纳米粒子的改性机制。在碱性水溶液中，OTS发生水解，其甲基氧基（?OCH?）被羟基（?OH）取代，形成硅醇（Si-OH）基团。同时，在碱性条件下，碳化硅表面也形成了羟基（?OH），这些羟基作为活性位点

结论

在这项研究中，通过在Q235碳钢基底上静电粉末喷涂含有表面改性SiO₂、SiC和酚醛树脂（PF）的复合材料，制备了一种无氟的光热超疏水涂层（记为SH-SiC-2/SH-SiO?/SH-SiC-1@PF）。所制备的涂层在保持超疏水特性的同时，表现出最佳的热吸收和光热转换效率。得益于其最小的固液接触面积和低

作者贡献声明

郑恩泽：撰写——原始草稿、验证、方法论、数据分析、概念构思。刘雅倩：撰写——审稿与编辑、数据分析。季国军：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：季国军报告称获得了内蒙古自治区自然科学基金的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢内蒙古自治区自然科学基金（重点项目，批准号：2025ZD039）和内蒙古自治区高校创新团队（批准号：NMGIRT2507）的财政支持。