北京理工大学陈少华教授：易于制造坚固的光热超疏水涂层，具有高效除冰和长期防腐功能

引用格式：

Dawei Li, Liangji Ma, Bo Zhang, et al. Facile fabrication of robust and photo-thermal super-hydrophobic coating with efficient ice removal and long-term corrosion protection[J]. Chemical Engineering Journal，2022;450 (0):138429-138429. 

摘要图

地面结冰是一种非常常见的自然现象，冰的形成很容易对户外设备造成严重的损坏，如电力线、风力涡轮机和航空航天运输，导致一些紧急情况、能源消耗和安全隐患。因此，通过表面处理技术制造具有高效防冰/除冰和长期防腐性能的涂层材料来解决这几个问题，逐渐成为一个重要的课题。由于碳化钛(TiC)硬度高、热稳定性好、光热转换性能好，通常用于刀具、半导体耐磨薄膜等材料。目前，通过各种方法在金属基材上成功制备了防腐超疏水涂层，但超疏水涂层的应用仍然受到表面功能单一、步骤繁杂、化学材料危险以及不便于大面积制造的限制。因此，迫切需要通过简单的大规模方法设计出防冰/ 主动除冰和防腐多功能一体化的超疏水涂料。此外，新型光热材料的开发利用也同样迫在眉睫。因此，根据设计理念TiC作为一种新型光热替代材料制备活性除冰超疏水涂层是解决这些问题的积极尝试。

北京理工大学陈少华教授通过简单高效的喷涂工艺制备了一种具有优异的机械化学耐用性、自愈性和长期防腐性能的被动防冰和主动光热除冰超疏水复合涂层。采用MSR聚合物作为成膜物质和复合添加剂相(改性SiO₂、GO、TiC)制备了一种无氟浆料。即使经过各种极端处理，包括高低温交替，60 m磨损距离，揉捏稳定性和浸泡在腐蚀性介质(酸、碱和盐溶液)中，复合涂层仍保持其突出的超疏水性。同时，制备的涂层还具有O₂等离子蚀刻的可愈合性和显著的自清洁性能。系统地研究了非均相杂化对涂层热相关性能和防腐性能的影响机制。此外，得益于优越的阻水性和光热效应，涂层表现出良好的被动防冰和主动高效光热除冰性能。本研究为构建多功能一体化超疏水涂层提供了新的思路，将拓宽其在相关领域的应用。

图1.(a)、(b)FESEM图像；(c)能谱分析；(d)超疏水复合涂层的红外光谱；(e)元素分布图。

图2.表面官能化的TEM图像(a) SiO₂纳米颗粒、(b)TiC纳米颗粒和(c)氧化石墨烯;(d)和(e)裸露的MSR的AFM图像和超疏水涂层的厚度。

图3.（a–e）5μL水滴与超疏水复合涂层的接触、挤压和拖曳行为；倾斜超疏水表面液滴的（j–f）弹跳滚动行为：用高速摄像机记录了5μL水滴落在超疏水表面上的（k–t）弹跳行为。

图4. 超疏水复合涂层的高低温稳定性试验。（a）涂层在高温（加热板）和低温（液氮）循环测试后的超疏水性；（b）FESEM图像;（c）循环测试后涂层的EDS。

图5. 镁合金表面复合镀层的耐磨性试验。（a）超疏水性和磨损距离之间的关系；（b–c）总磨损60 m后样品的FESEM图像。

图6. 超疏水复合涂层的耐久性试验。（a）强酸（pH = 1）、（b）强碱（pH = 14）和（c）3.5%的氯化钠溶液。

图7.（a）被油（十二烷）润湿后超疏水涂层的CAs和Sas;（b）示意图; （c–f）砂纸磨损后涂层在油中的自清洁行为。

图8.（a）TGA曲线;（b）不同复合涂层的热导率;（c）涂层的可逆润湿性可修复周期数；（d）原始涂层、O2等离子体蚀刻涂层和高温修复涂层的XPS测量光谱。

图9.（a）在808 nm NIR激光照射5分钟后记录不同组成涂层的表面温度变化;（b）红外热成像图像；（c）空白MSR和超疏水涂层上水滴冻结前后的光学图像，以及近红外辐射期间的光热除冰过程。

图10. 镁合金、复合涂层和制备的涂层在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡14天或21天的EIS。（a）阻抗模量的波特图；（b）相角的波特图；（c）奈奎斯特图。拟合EIS数据的等效电路（EEC）:（d）镁合金和（e）复合涂层。

结论:

本文基于含有非均相杂化体的MSR聚合物制备了一种具有优异的机械-化学鲁棒性、自愈性和长期耐腐蚀性的被动防冰和主动光热除冰超疏水涂层。该涂层具有超疏水性，CAs高达161.9，SAs仅为4.2，微滴粘附力为~16.8±0.6μN。在砂纸磨损60m、高低温交替循10次、3.5%NaCl溶液浸泡7天、腐蚀介质浸泡16h后，涂层的机械-非化学耐久性仍能保持拒水性。此外，制备的涂层在空气或油中也表现出优异的自清洁性能，即使受到砂纸的磨损，也具有抗O2等离子体蚀刻(14次)的可修复性。此外，所制备的涂层表现出突出的光热转换能力，可以延迟水滴的冻结时间，并明显增强除冰性能。电化学数据表明，涂层浸泡14天后的腐蚀电流密度仍比Mg合金低4个数量级，缓蚀效率仍可达到99.98%。这种多功能一体化超疏水复合涂层在相关工业领域具有很大的应用潜力。原文链接：

 https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138429

相应的成果以“Facile fabrication of robust and photo-thermal super-hydrophobic coating with efficient ice removal and long-term corrosion protection”为题发表在Chemical Engineering Journall上。论文通讯作者为北京理工大学教授陈少华。

来源： 超疏水防冰表面研究站