兰州化物所自润滑功能涂层研究取得系列进展

WaterOff

2022-08-10 09:59:08

低表面能涂层材料因其特殊的润湿与润滑特性，在表面减阻防污、自清洁、防结冰等领域应用广泛。

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室表界面团队多年来致力于低表面能自润滑功能涂层研究，近期在该领域取得系列进展。

受猪笼草启发的在多孔或纳米结构表面中封存低表面能润滑剂的“超滑”材料近年来成为研究热点。但这种“超滑”表面因存在纳米结构表面耐磨性差，润滑剂分子通过弱范德华力吸附于表面从而易损失，导致耐久性差。针对这一问题，研究人员制备了带有“锚固”基团的润滑剂 “刷”状大分子，将传统润滑剂分子通过化学键锚固于光滑表面。同时，引入无机中间层增加键合强度，大大提升了表面耐磨性和耐溶剂浸泡特性。在100kPa压力下，往复摩擦3万次表面润湿特性几乎保持不变；同时具有普适性，在各种基底均可修饰（Prog. Org. Coat., 2021, 154, 106171）（图1a-b）。

将聚硅氧烷链换成全氟聚醚链段，表面呈现出更加优异的耐沾污性和耐磨性。在有机溶剂中用聚酯棉布对偶摩擦20万次，润湿性损失小于5%，耐沾污性几乎保持不变（图1c-d）。该文章近期作为封面文章发表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2021, 13, 14562）（图1e）上。

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图1 “刷状”分子接枝的自润滑双疏表面

受荷叶启发的超疏水材料具有明显防除冰效果，但在低温高湿度环境下，超疏水防除冰效果丧失，而机械除冰会破坏涂层微结构进而破坏其超疏水特性。针对这些问题，研究人员利用氟化碳纳米管和工程化丙烯酸树脂制备超双疏涂层，利用碳纳米管可见光-热效果，实现了该超双疏涂层在太阳光下的自主加热防冰、除冰。通过光热层-导热层-绝热层的多层设计，提升了放热除冰效率，在太阳光照射涂层部分区域即可实现全表面防除冰，避免了除冰时的机械破坏（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 46981）（图2a）。利用碳纳米管的电热效应，赋予表面光热、电热复合“1+1>2”效果，实现了涂层白天利用光、夜晚利用电的全天候热防除冰（Adv. Mater. Tech., 2021, 6, 2100371）（图2b）。为避免光热量损失，研究人员利用冰模板法制备了大孔状超疏干凝胶，利用该材料多孔隔热性质，将光热量聚集于光辐照区域，大大提升了材料光热性能，在-30℃环境下，0.25倍太阳光下即可实现材料表面的永远不结冰（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 37609）（图2c）。

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图2 光/电超疏防冰涂层

相关技术获中国发明专利授权ZL 201811398503.3、ZL 201810449961.9、ZL 202010505684.6和ZL 202110702491.4。

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图3 当前主要防除冰材料策略

基于以上工作，受ACS Materials Letter期刊邀请，该团队撰写了题为“Material Strategies for Ice Accretion Prevention and Easy Removal”的综述文章（ACS Mater. Lett. 2022,4, 246-262）（图3）。从材料技术角度总结了被动防冰、主动除冰及主被动结合的三种防除冰策略。

上述工作得到了国家自然科学基金、甘肃省、中国中车集团有限公司及烟台中科先进材料与绿色化工产业技术研究院等的支持。