低表面能涂層材料因其特殊的潤濕與潤滑特性，在表面減阻防污、自清潔、防結冰等領域應用廣泛。中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室表界面團隊多年來致力于低表面能自潤滑功能涂層研究，近期在該領域取得系列進展。

受豬籠草啟發的在多孔或納米結構表面中封存低表面能潤滑劑的“超滑”材料近年來成為研究熱點。但這種“超滑”表面因存在納米結構表面耐磨性差，潤滑劑分子通過弱范德華力吸附于表面從而易損失，導致耐久性差。針對這一問題，研究人員制備了帶有“錨固”基團的潤滑劑“刷”狀大分子，將傳統潤滑劑分子通過化學鍵錨固于光滑表面。同時，引入無機中間層增加鍵合強度，大大提升了表面耐磨性和耐溶劑浸泡特性。在100 kPa壓力下，往復摩擦3萬次表面潤濕特性幾乎保持不變；同時具有普適性，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，表面呈現出更加優異的耐沾污性和耐磨性。在有機溶劑中用聚酯棉布對偶摩擦20萬次，潤濕性損失小于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表在ACS Appl.Mater.Interfaces（2021,13,14562）（圖1e）上。

圖1“刷狀”分子接枝的自潤滑雙疏表面

受荷葉啟發的超疏水材料具有明顯防除冰效果，但在低溫高濕度環境下，超疏水防除冰效果喪失，而機械除冰會破壞涂層微結構進而破壞其超疏水特性。針對這些問題，研究人員利用氟化碳納米管和工程化丙烯酸樹脂制備超雙疏涂層，利用碳納米管可見光-熱效果，實現了該超雙疏涂層在太陽光下的自主加熱防冰、除冰。通過光熱層-導熱層-絕熱層的多層設計，提升了放熱除冰效率，在太陽光照射涂層部分區域即可實現全表面防除冰，避免了除冰時的機械破壞（ACS Appl.Mater.Interfaces,2020,12,46981）（圖2a）。利用碳納米管的電熱效應，賦予表面光熱、電熱復合“1+1>2”效果，實現了涂層白天利用光、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，將光熱量聚集于光輻照區域，大大提升了材料光熱性能，在-30℃環境下，0.25倍太陽光下即可實現材料表面的永遠不結冰（ACS Appl.Mater.Interfaces2021,13,37609）（圖2c）。

圖2光/電超疏防冰涂層

相關技術獲中國發明專利授權ZL 201811398503.3、ZL 201810449961.9、ZL 202010505684.6和ZL 202110702491.4。

圖3當前主要防除冰材料策略

基于以上工作，受ACS Materials Letters期刊邀請，該團隊撰寫了題為“Material Strategies for Ice Accretion Prevention and Easy Removal”的綜述文章（ACS Mater.Lett.2022,4,246-262）（圖3）。從材料技術角度總結了被動防冰、主動除冰及主被動結合的三種防除冰策略。

上述工作得到了國家自然科學基金、甘肅省、中國中車集團有限公司及煙臺中科先進材料與綠色化工產業技術研究院等的支持。