EP–PDMS复合涂层：兼具优异力学性能与超疏水性及其制备与防覆冰性能研究

《Materials Today Communications》：EP–PDMS Composite Coating with Superior Mechanical Strength and Superhydrophobicity: Fabrication and Anti-Icing Performance

　　

受荷叶效应启发，超疏水表面因其独特的表面微结构与极低表面能所带来的卓越防覆冰性能而备受科研界关注。然而，复杂的制备工艺、高昂的改性成本及较差的耐久性问题依然制约着超疏水涂层的实际应用。因此，开发兼具长期稳定性与功能性的简便、坚固且经济高效的涂层具有重要意义。本研究在金属基底上引入环氧基绝缘层，随后喷涂由高强度环氧树脂(EP)、低表面能聚二甲基硅氧烷(PDMS)及改性二氧化硅(SiO2)纳米颗粒组成的复合悬浮液，成功制备出一种防覆冰涂层。所得涂层水接触角(WCA)达153.5°，即便经过重复砂纸磨损(1000目砂纸，200 g负重，8个循环)、胶带剥离(3M胶带，200 g负重，80个循环)及沙粒冲击测试(200 g沙粒，50 cm高度)，仍能保持超疏水性。该涂层在酸性和碱性环境中亦表现出显著的稳定性，同时具备优异的自清洁与防覆冰性能，展现出广阔的工程应用前景。

研究背景与意义

超疏水涂层技术作为提升金属材料性能与附加值的重要手段，通过构建微纳结构赋予材料表面极致的斥水性，从而在自清洁、防腐等领域展现出巨大潜力。自然界中，荷叶、玫瑰花瓣及蝴蝶翅膀等生物表面的分级微纳结构是超疏水性的来源。然而，现有超疏水涂层普遍面临机械强度脆弱的瓶颈，表面粗糙度与润湿状态极易因机械磨损甚至轻微触碰而破坏，导致Cassie–Baxter态向Wenzel态转变，严重限制了其实际工程应用。传统的聚合物粘结剂中，高强度材料往往表面能较高，而低表面能材料则机械性能较弱。如何在单一聚合物基体中兼顾高强度与低表面能，是制备耐用超疏水涂层的关键。环氧树脂(EP)刚性强但表面能高，聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面能低但机械强度不足，且两者固有的不相容性易导致相分离。针对这一挑战，研究人员旨在通过界面改性策略，融合EP与PDMS的优势，开发一种兼具机械鲁棒性与化学稳定性的新型复合涂层。该研究成果发表于《Materials Today Communications》。

主要关键技术方法

研究人员采用硅烷偶联剂KH-560对PDMS进行改性，解决了EP与PDMS的界面相容性问题。通过改进的水热法合成二氧化硅(SiO₂)纳米颗粒，并利用氨基硅烷(KH-550)与全氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)进行两步接枝改性，制备出具有低表面能的氟化二氧化硅(F-SiO₂)。涂层构建采用两步喷涂法：首先在金属基底上喷涂EP绝缘层以增强附着力，随后分别构建微米级碳化硅(SiC)结构层与纳米级F-SiO₂结构层，形成分级微纳复合结构。

研究结果

3.1. EP–PDMS网络的FTIR分析

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明，EP与改性PDMS之间未形成新的化学键，也未发生明显的峰位移，证实两者形成了物理共混体系而非化学共聚。特征峰显示，2960 cm^-1处的吸收对应PDMS的C–H伸缩振动，1510与1610 cm^-1处的吸收源于EP的芳香骨架，1260 cm^-1处的Si–CH₃对称振动及1010 cm^-1处的Si–O–Si伸缩振动证实了PDMS的存在。

3.2. F-SiO₂纳米颗粒的表征

能量色散X射线光谱(EDS)与X射线光电子能谱(XPS)分析确认了氟元素在SiO₂表面的成功引入。FTIR光谱中1225 cm^-1处的C–F伸缩振动宽频带及690 cm^-1处的CF₂弯曲/摇摆振动吸收，验证了氟硅烷基团已共价接枝到SiO₂表面，形成了稳定的低表面能壳层。

3.3. 涂层形貌与润湿性

扫描电子显微镜(SEM)观察显示，涂层表面成功构建了分级微纳结构：底层为SiC微粒形成的微米级粗糙结构，表层为F-SiO₂纳米颗粒附着于SiC表面形成的纳米结构。润湿性测试表明，纯EP涂层呈亲水性(接触角约58°)，EP/F-SiO₂虽疏水性增强但未达超疏水阈值。相比之下，EP+PDMS/F-SiO₂复合涂层接触角超过150°，实现了超疏水性。

3.4. 机械耐久性

通过砂纸磨损、胶带剥离及沙粒冲击三种标准测试评估发现，EP+PDMS/F-SiO₂复合涂层表现出远超单一聚合物基涂层的机械稳定性。经过8次砂纸磨损循环后，接触角仍保持在145°以上。虽然经过100次胶带剥离或特定条件的沙粒冲击后超疏水性有所下降，但其整体耐久性显著优于纯PDMS基涂层。这种优异的机械稳定性源于高强度EP提供的刚性骨架、耐磨SiC微粒的结构支撑，以及改性后良好的界面相互作用。

3.5. 化学稳定性

将涂层浸泡在不同pH值(0-14)溶液中2小时后，接触角均保持在135°以上。长期浸泡实验(350小时)显示，涂层在中性环境中降解最小，酸性环境中略有下降，碱性环境中保持更好，表明其对碱腐蚀具有更强的抵抗力。这归因于致密的微观结构和全氟烷基链的高化学惰性，酸性环境中C-F键的破坏是导致疏水性加速衰减的主要原因。

3.6. 防覆冰与自清洁性能

3.6.1. 延迟结冰

在低温环境下，裸合金表面的水滴迅速铺展并冻结，而超疏水涂层表面的水滴保持近球形的Cassie状态，空气垫阻隔了热传导。EP+PDMS/F-SiO₂涂层从Cassie态向Wenzel态转变的时间约为515秒，完全冻结时间为580秒，显著长于裸基底及纯EP基表面。经过10次冻融循环后，涂层仍保持良好的微观结构和延迟结冰性能。

3.6.2. 自清洁与低粘附行为

涂层表现出卓越的自清洁性能，水滴呈球形快速滚落并能带走污染物。静态测试中观察到的“银镜”现象证实了表面稳定气膜的存在。动态压缩实验显示，即使水滴受压变形，脱离时仍无残留，证明了涂层极低的固液粘附力。这种双重保护机制使其既能静态防污，又能动态自清洁。

讨论与结论总结

研究人员得出结论，通过改性水热法与两步喷涂策略，成功制备了一种低成本、高性能的EP+PDMS/F-SiO₂微纳结构超疏水涂层。该涂层水接触角大于150°，具备优异的机械耐久性(耐受8次砂纸磨损、200次胶带剥离及沙粒冲击)与化学稳定性(在酸碱盐溶液中浸泡350小时接触角仍保持在130-150°以上)。其优异性能源于EP与PDMS的协同效应：EP提供机械强度，PDMS赋予持久的低表面能。此外，涂层还展现了出色的自清洁与延迟结冰能力。该研究提供了一种简便且可扩展的策略，为开发用于防腐、防冰及环境自清洁系统的耐用多功能超疏水涂层开辟了新途径。