基于纳米粒子类液体功能化的耐久电光热超疏水涂层：显著提升的防水性能与液滴反弹效果

《Advanced Materials Interfaces》：Durable Electro-Photothermal Superhydrophobic Coatings Based on Liquid-Like Functionalization of Nanoparticles: Improved Water Repellency and Droplet Rebound

本研究通过将液态PDMS链而非传统刚性烷基链共价修饰于多壁碳纳米管（CNT-L），制备了具有优异水接触角滞后（3.1°）、抗磨损性和电-光-热功能化的一体化超疏水涂层。实验表明，液态PDMS链的分子可动性显著降低了水滴接触时间并提高了反弹次数，同时多层纳米结构赋予涂层在200次磨损循环后仍保持超疏水性能。集成电热（最高129.4°C）和光热（吸光率99.92%）功能，有效解决了低温湿态下超疏水表面的结冰问题，实现了从非润湿到润湿状态的主动热调控。首次系统比较了液态与固态表面化学改性对超疏水性能的影响，为环保型、可扩展的工业涂层开发提供了新策略。

　　本研究探讨了一种耐用的电-光热超疏水（SHS）涂层的制备方法，通过将纳米材料表面功能化为具有滑腻液体刷（slippery liquid-like brushes）的结构。这一方法使用了羟基化的多壁碳纳米管（CNTs），并采用一种新的功能化策略，即通过加热至200°C持续24小时，将非反应性的线性聚二甲基硅氧烷（LPDMS）连接到这些碳纳米管表面。此方法之前仅被用于无机氧化物的表面改性，但本研究首次将其应用于碳纳米管，以提升涂层的疏水性能。通过将这些功能化的纳米材料嵌入环氧-硅树脂（ES）中，并通过喷涂方式涂覆在多种基材上，研究人员成功地制造了具有优异水排斥能力的涂层。

相比传统的刚性烷基功能化的碳纳米管，这些具有液体刷的碳纳米管在多个关键性能指标上表现出显著优势。例如，它们的接触角滞后（CAH）降低了从4.9°至3.1°，滑动角（SA）从7.6°降至3.4°，并且在水滴撞击后表现出更优的反弹行为，包括更短的接触时间和更多的反弹次数。这些改进使得该涂层在水滴接触和去除过程中具有更高的效率，从而在抗结冰和自清洁方面展现出更好的表现。此外，该涂层在经过多次磨损后仍能保持其超疏水特性，这表明其具有出色的耐久性。这一结果优于仅依赖表面纹理的涂层，说明功能化的纳米材料在提升疏水性能方面具有显著优势。

在研究过程中，研究人员还评估了该涂层在不同基材上的适用性，包括聚合物、木材、玻璃、陶瓷和金属等。这种多功能性意味着该涂层可以在多种工业和日常环境中应用，如建筑、交通、能源和医疗设备等。更重要的是，这种涂层不仅适用于疏水性树脂，也适用于亲水性树脂，这表明其具有广泛的适用性。然而，尽管其具有优异的疏水性能，但在低温环境下，由于水与表面之间的湿润转变，该涂层的抗结冰性能受到了一定的限制。为了克服这一问题，研究团队引入了电热和光热技术，使得表面可以在较低电压（如100V）下加热至最高129.4°C，或者在光照条件下实现高达99.92%的光吸收，从而恢复其非湿润状态，维持超疏水性能。

本研究首次系统地比较了两种不同的纳米复合涂层：一种是使用液体刷（LPDMS）功能化的纳米材料，另一种是使用刚性烷基刷（HDTMS）功能化的纳米材料。研究结果表明，使用LPDMS功能化的碳纳米管可以显著提升涂层的疏水性和动态水滴响应能力。这种液体刷的高分子运动性使其能够更有效地降低界面能量壁垒，从而改善水滴在表面的移动和脱离行为。这种特性在抗结冰和自清洁领域尤为重要，因为水滴在表面停留时间越短，越不容易形成冰层或吸附污染物。

为了进一步验证这种性能提升，研究人员对不同重量百分比的碳纳米管进行了实验。当碳纳米管的含量超过20%时，超疏水特性开始显现，而当达到30%时，疏水性能和反弹行为达到了最佳状态。随着碳纳米管含量的增加，超过40%后反而导致涂层出现裂纹，这表明30%的负载量是实现最佳性能的关键。此外，研究还发现，无论使用哪种树脂体系（无论是亲水性的聚氨酯（PU）还是疏水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）），只要碳纳米管的含量保持在30%，其表面的疏水行为就不会受到树脂性质的显著影响。这表明，疏水性能主要由碳纳米管的功能化决定，而不是树脂本身的特性。

通过高分辨率的表面形貌分析，如场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、三维轮廓测量和原子力显微镜（AFM），研究人员发现，该涂层具有多尺度的粗糙结构，包括微米级和纳米级的表面纹理。这些纹理有助于空气层的捕获和稳定，从而提升疏水性。此外，研究还发现，即使经过200次磨损测试，涂层仍能保持其疏水性能，说明其结构的稳定性得到了显著增强。这与传统的仅在表面进行纹理设计的涂层形成了鲜明对比，因为那些涂层在受到磨损后容易失去其功能特性。

为了进一步评估涂层的热性能，研究团队对电热和光热行为进行了测试。在电热方面，ES-L-30涂层在施加20V、60V和100V电压后，表面温度分别达到了40.7°C、67.8°C和129.4°C，显示出良好的电热响应能力。同时，该涂层在多次加热和冷却循环中表现出优异的热稳定性，说明其在实际应用中具有长期可靠性。在光热方面，涂层对250–2500nm波长范围内的光具有极高的吸收能力，平均吸收率达到99.92%。这种高吸收能力使得涂层在太阳辐射下能够迅速升温，从而有效防止结冰。此外，该涂层在不同入射角度下仍能保持较高的吸收率，这表明其适用于多种光照条件，包括倾斜和低角度的光照。

研究还特别关注了涂层在低温条件下的抗结冰性能。通过在-10°C下测试冰附着强度（IAS），发现ES-L-30和ES-S-30的IAS值分别降低了约54.0%和51.1%，与未涂覆的铝基材相比具有显著优势。然而，随着温度的进一步降低，两种涂层均经历了从非湿润（Cassie–Baxter）到湿润（Wenzel）状态的转变，导致疏水性下降。这一现象通常发生在低温和高湿度条件下，由于水分子在微/纳米结构中凝结，从而破坏了表面的空气层。为了解决这一问题，研究团队利用集成的电热和光热功能，主动加热表面，使其恢复到非湿润状态，从而保持疏水性。

这一研究不仅展示了新型功能化碳纳米管在超疏水涂层中的应用潜力，还为解决传统方法中的一些关键问题提供了新的思路。例如，传统方法在制造过程中通常涉及复杂的步骤，如多步蚀刻或光刻技术，这限制了其在工业规模上的应用。而本研究采用的喷涂技术则更加简便，适用于大规模生产和多种基材。此外，传统方法往往依赖于环境持久的氟化化合物，而本研究则避免了使用这些可能对环境造成负担的材料，采用更环保的PDMS进行功能化，这符合当前可持续发展的趋势。

从长远来看，这种新型的超疏水涂层不仅适用于现有的应用领域，如抗结冰和自清洁，还可能拓展到其他方面，如水-油分离、减少流体阻力、抗污染以及防腐蚀等。研究团队还提到，未来的工作可以进一步探索使用不同结构的液体刷功能化更广泛的纳米材料，以满足不同应用场景的需求。此外，对LPDMS和烷基刷在不同应用中的性能对比，如在特定金属上的防腐蚀性能或在油水分离系统中的表现，也将成为重要的研究方向。

总之，本研究为超疏水材料的开发提供了一种创新的解决方案，结合了纳米材料的功能化和热能调控技术，使得涂层在多种环境下都能保持优异的性能。这种结合不仅提升了材料的疏水性和抗结冰能力，还增强了其在实际应用中的耐久性和适用性。未来，随着进一步的技术优化和材料创新，这种超疏水涂层有望在更广泛的工业和日常生活中发挥重要作用，为材料科学和工程应用带来新的突破。