張金明、程耀輝：可規模化制備的自相似超疏水涂層用于全天候抗冰

WaterOff

2023-03-05 08:23:23

超疏水表面以其優異的阻水性、自清潔和抗污染等優點被廣泛應用。但是，由于超疏水表面通常是將低表面能物質經過復雜的過程制備出的微納化結構，所以存在長效穩定性差、制備過程復雜等問題。通過簡單的方法制備耐用的大面積超疏水材料仍存在挑戰。

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中國科學院化學研究所張金明研究員、張軍研究員、程耀輝博士和北京理工大學賀志遠教授合作，以來源廣泛的多羥基天然高分子纖維素為原料，通過簡單的化學修飾，得到疏水性陽離子型纖維素衍生物。其通過咪唑陽離子提供陽離子-π和π-π相互作用，能夠有效地分散多臂碳納米管（MWCNT）。咪唑陽離子與MWCNT協同分散還原氧化石墨烯（rGO），形成具有不同尺寸“片-臂”結構的三組分納米分散液（圖 1）。由于1D和2D納米材料的形狀差異和纖維素衍生物粘合效應，該分散液通過噴涂可自發得到大面積自內向外具有相似微納結構的超疏水涂層（圖1）。該超疏水涂層很容易大規模制備，而且由于在外界刺激作用下能自更新因此具有優異的耐久性（圖2）。

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圖 1.可規模化制備自更新超疏水涂層。（a）纖維素衍生物/MWCNT/rGO （CCG）三組分分散液示意圖；（b）超疏水涂層示意圖；（c）大面積超疏水涂層；（d）超疏水涂層的柔性；（e）不同基團上超疏水涂層的疏水性（左：水滴；中：酸性水滴（pH= 2）；右：堿性水滴（pH= 12））。

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圖2.自更新超疏水涂層的疏水性和穩定性。（a）水滴粘附實驗；（b）水滴彈跳實驗；（c）涂層自清潔實驗；（d）砂紙摩擦涂層實驗；（e）刀刮涂層實驗；（f）膠帶粘揭涂層實驗；（g）落沙實驗；（h）涂層在砂紙摩擦前后的SEM圖和接觸角變化。

由于MWCNT和rGO優異的吸光性和導電性，所得超疏水涂層表現出優異的光熱和電熱性能。該超疏水涂層兼具被動抗冰和主動除冰雙重效應，在太陽光和低電壓條件下可實現全天候抗冰（圖3）。該簡單的制備方法和多功能的超疏水涂層具有巨大的應用前景。

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圖 3. 自更新超疏水涂層全天候抗冰示意圖。

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-.