坚固且不含氟：一种用于协同实现被动和主动除冰的光热超疏水涂层

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Robust and Fluorine-free: A Photothermal Superhydrophobic Coating for Synergistic Passive and Active Deicing

本研究开发了一种新型环保光热超疏水涂层，通过喷涂含碳纳米管、亲水二氧化硅纳米颗粒和丙烯酸树脂的混合物在铝基材上，涂层表面微纳结构协同实现超疏水（接触角165°）与高效光热转换。实验表明该涂层可延长结冰时间377秒，降低冰附着力至36.9 kPa，在近红外照射下8秒内升温至90℃，有效解决传统防冻涂层依赖氟化物、机械强度不足及能耗高等问题，适用于航空及电力设施除冰。

　　

刘书军|严全|桂月|肖新璐|周杰|彭慧轩|杨海涛

南昌航空大学材料科学与工程学院，中国南昌 330063

摘要

超疏水涂层作为一种被动除冰策略，在解决由结冰引起的重大经济损失和安全问题方面具有巨大潜力。然而，传统的超疏水材料通常存在除冰效率低、能耗高以及依赖有害环境的氟化化合物的问题。在本研究中，我们通过在铝基底上沉积碳纳米管（CNTs）、疏水性二氧化硅（SiO?）纳米颗粒和粘合性丙烯酸聚合物树脂的混合物，开发出一种新型的、无氟的、具有高光热转换效率的抗冰涂层。该复合涂层具有3.34 μm的微/纳米粗糙度，表现出优异的超疏水性，水接触角为165°，滑动角为6.5°。通过被动抗冰和主动光热除冰的协同作用，该涂层可将水的冻结时间延长377秒，并显著降低冰的附着力至36.9 kPa。最重要的是，在近红外照射下，表面温度可迅速升至90 ℃，在室外环境中8秒内实现完全除冰。这种涂层的耐用性、环保性和高效率表明其在航空和电力传输领域具有广泛的应用前景。

引言

冰和雪的积累是一种自然现象，可能会对多个行业造成严重后果，包括航空[1]、[2]、电力传输[3]、[4]、风力发电[5]和农业生产[6]。例如，德克萨斯州的灾难性暴风雪对个人安全和经济稳定产生了重大影响[7]。因此，开发安全高效的除冰策略至关重要。传统的主动除冰方法，如机械刮除[8]、电热加热[9]和化学流体[10]被广泛使用，但常因能耗高、环境污染以及在偏远地区适用性有限而受到批评。

受莲叶的启发，超疏水涂层作为一种有前景的被动抗冰策略应运而生。这些表面利用微/纳米粗糙度来捕获空气囊泡，从而减少水滴与基底之间的接触面积，进而降低冰的附着力[11]、[12]、[13]、[14]。然而，在恶劣环境中（如高湿度或极低温度），仅依靠被动表面可能会因霜冻积聚或冰的机械互锁而失效。为了克服这一限制，将主动光热除冰功能集成到超疏水涂层中引起了广泛关注[15]、[16]。碳纳米管（CNTs）因其出色的光热转换效率而被广泛用于此领域。例如，最近的研究成功地将CNTs与各种聚合物结合，制备出在阳光或近红外（NIR）照射下产生热量的涂层[17]、[18]、[19]、[20]。

尽管取得了这些进展，仍存在两个关键挑战。首先，为了实现低表面能，大多数现有的光热超疏水涂层严重依赖氟化聚合物或氟硅烷[17]、[19]。这些氟化化合物价格昂贵，并且由于其持久性和毒性，对人类健康和环境构成潜在风险。其次，构建坚固的层次结构很困难；许多超疏水表面在磨损或擦伤后容易失去抗冰功能[12]、[21]。因此，开发一种同时具备无氟环保性、机械坚固性和高光热效率的涂层仍然是一个重大挑战。

为了解决这些问题，我们提出了一种简便的喷涂涂层方法，制备出一种坚固且无氟的光热超疏水涂层，以实现协同的被动和主动除冰效果。我们合成了一种专用的丙烯酸共聚物树脂（AR）作为坚固的粘合剂，并将其与多壁碳纳米管（CNTs）和疏水性二氧化硅（SiO?）纳米颗粒结合。所得复合涂层具有稳定的微/纳米结构，能够有效阻挡水和冰的侵入。与传统含氟涂层不同，我们的设计使用了环保材料，同时保持了优异的防水性（WCA~165°）和耐磨性。在近红外照射下，该涂层表现出快速的光热响应，能够在室外环境中实现高效除冰。这项工作为航空和电力基础设施中的抗冰应用提供了一种可持续且耐用的解决方案。

实验部分

实验步骤

在一个250毫升的四颈烧瓶中加入四氢呋喃（THF）（30克），并将反应温度调整至69°C。准备丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸酯（MMA）、丁基丙烯酸酯（BA）、THF和引发剂偶氮异丁腈（AIBN）的混合溶液，然后通过超声波处理使其均匀混合，再转移到恒压加料漏斗中。用氮气冲洗单体混合物5分钟后，开始逐滴加入。AA、MMA和BA的质量比为

表面形态和润湿性

不同成分比例的涂层微观形态如图2所示。喷涂纯AR树脂的表面看起来平坦光滑（图2a）。原始的SiO?纳米颗粒表现出良好的粒径均匀性和分散性（图S2）。加入SiO?后，由于CNTs和SiO?的协同作用，形成了明显的粗糙微/纳米结构（图S3）。具体来说，对于ACSH15样品，颗粒均匀分散，形成了

结论

总结来说，我们通过简便的喷涂方法成功开发出一种坚固、无氟且高效的光热超疏水涂层。通过结合CNTs的光热转换效应、SiO?纳米颗粒的粗糙度以及丙烯酸树脂的强粘附力，该复合涂层表现出优异的超疏水性（WCA~165°）和机械耐久性。该涂层具有双重模式的抗冰机制：通过被动方式延长水的冻结时间

CRediT作者贡献声明

彭慧轩：可视化、方法论、研究。 严全：方法论、数据管理。 刘书军：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析。 杨海涛：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。 周杰：验证。 肖新璐：方法论。 桂月：数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了江西省自然科学基金（编号20232BAB214029）、江西省轻质复合材料重点实验室（EJ202201353）和复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室（K2024-31）的财政支持。

注释

作者声明没有其他财务利益冲突。