张金明、程耀辉：可规模化制备的自相似超疏水涂层用于全天候抗冰

WaterOff

2023-03-05 08:23:23

超疏水表面以其优异的阻水性、自清洁和抗污染等优点被广泛应用。但是，由于超疏水表面通常是将低表面能物质经过复杂的过程制备出的微纳化结构，所以存在长效稳定性差、制备过程复杂等问题。通过简单的方法制备耐用的大面积超疏水材料仍存在挑战。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，中国科学院化学研究所张金明研究员、张军研究员、程耀辉博士和北京理工大学贺志远教授合作，以来源广泛的多羟基天然高分子纤维素为原料，通过简单的化学修饰，得到疏水性阳离子型纤维素衍生物。其通过咪唑阳离子提供阳离子-π和π-π相互作用，能够有效地分散多臂碳纳米管（MWCNT）。咪唑阳离子与MWCNT协同分散还原氧化石墨烯（rGO），形成具有不同尺寸“片-臂”结构的三组分纳米分散液（图 1）。由于1D和2D纳米材料的形状差异和纤维素衍生物粘合效应，该分散液通过喷涂可自发得到大面积自内向外具有相似微纳结构的超疏水涂层（图1）。该超疏水涂层很容易大规模制备，而且由于在外界刺激作用下能自更新因此具有优异的耐久性（图2）。

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图 1.可规模化制备自更新超疏水涂层。（a）纤维素衍生物/MWCNT/rGO （CCG）三组分分散液示意图；（b）超疏水涂层示意图；（c）大面积超疏水涂层；（d）超疏水涂层的柔性；（e）不同基团上超疏水涂层的疏水性（左：水滴；中：酸性水滴（pH= 2）；右：碱性水滴（pH= 12））。

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图2.自更新超疏水涂层的疏水性和稳定性。（a）水滴粘附实验；（b）水滴弹跳实验；（c）涂层自清洁实验；（d）砂纸摩擦涂层实验；（e）刀刮涂层实验；（f）胶带粘揭涂层实验；（g）落沙实验；（h）涂层在砂纸摩擦前后的SEM图和接触角变化。

由于MWCNT和rGO优异的吸光性和导电性，所得超疏水涂层表现出优异的光热和电热性能。该超疏水涂层兼具被动抗冰和主动除冰双重效应，在太阳光和低电压条件下可实现全天候抗冰（图3）。该简单的制备方法和多功能的超疏水涂层具有巨大的应用前景。

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图 3. 自更新超疏水涂层全天候抗冰示意图。

文章信息

Cheng Y, Wang Y, Zhang X, et al. Spontaneous, scalable, and self-similar superhydrophobic coatings for all-weather deicing. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5320-.