基于PVDF-TrFE/PDMS纳米纤维网络的梯度结构设计实现高透明超疏水防雾防冰涂层

针对玻璃基材超疏水涂层机械强度与透光性难以协同优化的技术难题，中国科学院团队通过电纺技术构建PVDF-TrFE/PDMS纳米纤维/TMS-s/PDMS界面增强层的梯度结构，实现154.1°接触角、3°滑动角及92.6%透光率，分子动力学揭示硅氧烷键增强机制，为建筑玻璃、光伏板等提供多功能防护解决方案。

　　

在气候变化加剧的背景下，建筑玻璃、汽车挡风玻璃等透明材料表面易因温差结雾结冰，严重影响透光性和安全性。传统解决方案往往顾此失彼——要么牺牲透明度换取疏水性，要么因机械强度不足导致涂层快速失效。这种矛盾源于材料微观结构与宏观性能的复杂耦合关系，特别是当涉及氟聚合物（如PVDF）这类具有优异化学稳定性但易产生光散射的材料时，问题更为突出。

中国科学院团队受荷叶效应启发，在《Progress in Organic Coatings》发表研究，创新性地将电纺技术与界面化学修饰相结合。通过先在玻璃基底构建三甲基氯硅烷（TMS-s）/PDMS界面增强层，再电纺PVDF-TrFE/PDMS共混纳米纤维，形成具有梯度结构的复合涂层。这种设计既保留了PVDF的低表面能特性，又通过PDMS改善纤维成型性和界面结合力。

关键技术包括：1）采用电纺技术精确调控纳米纤维直径（<200nm）以降低光散射；2）通过TMS-s硅烷化处理在玻璃表面形成硅氧烷（Si-O-Si）化学键；3）分子动力学模拟分析界面相互作用机制；4）系统测试光学性能（紫外-可见分光光度计）、疏水性（接触角测量仪）及机械强度（划痕试验）。

材料合成与界面相互作用
研究发现TMS-s/PDMS促进层能显著增强纳米纤维与基底的结合力。分子动力学显示，TMS-s与玻璃表面形成强硅氧烷键（结合能-450.8 kcal/mol），同时与PDMS产生Si-O-C键（-210.4 kcal/mol），这种双重作用使涂层剪切强度提升3倍。

光学与疏水性能
优化后的涂层可见光透射率达92.6%，接近裸玻璃水平（93.8%）。纳米纤维网络形成分级粗糙结构，使水接触角达154.1°±4°，滑动角仅3°±1°。值得注意的是，PDMS的引入不仅降低表面能，还通过抑制PVDF-TrFE结晶改善透光性。

防雾防冰机制
在-15°C环境下，涂层延迟结冰时间达142分钟，是裸玻璃的8倍。高速摄像显示水滴在表面呈弹跳状态，证实Cassie-Baxter态稳定性。这种特性源于纳米纤维间的空气层降低固-液接触面积，削弱热传导。

机械耐久性
经100次砂纸摩擦（1kPa压力）后，涂层仍保持142°接触角。划痕测试显示临界载荷达12.3N，优于多数报道的透明超疏水涂层。这种强韧性得益于PDMS的弹性缓冲和化学键的锚定作用。

该研究通过多尺度结构设计破解了"透明-疏水-坚固"的不可能三角，其创新点在于：1）提出TMS-s/PDMS界面增强层的"分子胶水"机制；2）实现200nm以下超细纤维的稳定制备；3）首次阐明硅烷化处理对PVDF基涂层性能的调控规律。这种涂层在光伏组件上应用可提升年发电效率3-5%，在飞机舷窗领域能显著降低除冰能耗。研究团队特别指出，尽管采用含氟聚合物，但PVDF-TrFE符合OECD对"低关注度聚合物"的定义，其高分子量特性确保环境安全性。

这项工作由Alix Marcelle Sansi Seukep等完成，获国家重点研发计划（2024YFE0107500）等资助。论文不仅提供了一种可规模化生产的涂层工艺，更为多功能界面材料设计建立了新的方法论框架——即通过分子水平的界面工程调控宏观性能，这一思路可拓展至生物医用涂层、海洋防污等领域。