蘭州化物所自潤(rùn)滑功能涂層研究取得系列進(jìn)展

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2022-08-10 09:59:08

低表面能涂層材料因其特殊的潤(rùn)濕與潤(rùn)滑特性，在表面減阻防污、自清潔、防結(jié)冰等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室表界面團(tuán)隊(duì)多年來(lái)致力于低表面能自潤(rùn)滑功能涂層研究，近期在該領(lǐng)域取得系列進(jìn)展。

受豬籠草啟發(fā)的在多孔或納米結(jié)構(gòu)表面中封存低表面能潤(rùn)滑劑的“超滑”材料近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。但這種“超滑”表面因存在納米結(jié)構(gòu)表面耐磨性差，潤(rùn)滑劑分子通過(guò)弱范德華力吸附于表面從而易損失，導(dǎo)致耐久性差。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員制備了帶有“錨固”基團(tuán)的潤(rùn)滑劑 “刷”狀大分子，將傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑分子通過(guò)化學(xué)鍵錨固于光滑表面。同時(shí)，引入無(wú)機(jī)中間層增加鍵合強(qiáng)度，大大提升了表面耐磨性和耐溶劑浸泡特性。在100kPa壓力下，往復(fù)摩擦3萬(wàn)次表面潤(rùn)濕特性幾乎保持不變；同時(shí)具有普適性，在各種基底均可修飾（Prog. Org. Coat., 2021, 154, 106171）（圖1a-b）。

將聚硅氧烷鏈換成全氟聚醚鏈段，表面呈現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐沾污性和耐磨性。在有機(jī)溶劑中用聚酯棉布對(duì)偶摩擦20萬(wàn)次，潤(rùn)濕性損失小于5%，耐沾污性幾乎保持不變（圖1c-d）。該文章近期作為封面文章發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2021, 13, 14562）（圖1e）上。

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圖1 “刷狀”分子接枝的自潤(rùn)滑雙疏表面

受荷葉啟發(fā)的超疏水材料具有明顯防除冰效果，但在低溫高濕度環(huán)境下，超疏水防除冰效果喪失，而機(jī)械除冰會(huì)破壞涂層微結(jié)構(gòu)進(jìn)而破壞其超疏水特性。針對(duì)這些問(wèn)題，研究人員利用氟化碳納米管和工程化丙烯酸樹(shù)脂制備超雙疏涂層，利用碳納米管可見(jiàn)光-熱效果，實(shí)現(xiàn)了該超雙疏涂層在太陽(yáng)光下的自主加熱防冰、除冰。通過(guò)光熱層-導(dǎo)熱層-絕熱層的多層設(shè)計(jì)，提升了放熱除冰效率，在太陽(yáng)光照射涂層部分區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)全表面防除冰，避免了除冰時(shí)的機(jī)械破壞（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 46981）（圖2a）。利用碳納米管的電熱效應(yīng)，賦予表面光熱、電熱復(fù)合“1+1>2”效果，實(shí)現(xiàn)了涂層白天利用光、夜晚利用電的全天候熱防除冰（Adv. Mater. Tech., 2021, 6, 2100371）（圖2b）。為避免光熱量損失，研究人員利用冰模板法制備了大孔狀超疏干凝膠，利用該材料多孔隔熱性質(zhì)，將光熱量聚集于光輻照區(qū)域，大大提升了材料光熱性能，在-30℃環(huán)境下，0.25倍太陽(yáng)光下即可實(shí)現(xiàn)材料表面的永遠(yuǎn)不結(jié)冰（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 37609）（圖2c）。

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圖2 光/電超疏防冰涂層

相關(guān)技術(shù)獲中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)ZL 201811398503.3、ZL 201810449961.9、ZL 202010505684.6和ZL 202110702491.4。

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圖3 當(dāng)前主要防除冰材料策略

基于以上工作，受ACS Materials Letter期刊邀請(qǐng)，該團(tuán)隊(duì)撰寫了題為“Material Strategies for Ice Accretion Prevention and Easy Removal”的綜述文章（ACS Mater. Lett. 2022,4, 246-262）（圖3）。從材料技術(shù)角度總結(jié)了被動(dòng)防冰、主動(dòng)除冰及主被動(dòng)結(jié)合的三種防除冰策略。

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、甘肅省、中國(guó)中車集團(tuán)有限公司及煙臺(tái)中科先進(jìn)材料與綠色化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院等的支持。