改性碳纳米管与氧化锌协同增强的超疏水TPU涂层设计及其长效防冰机制研究

本综述系统探讨了以聚氨酯（TPU）为基体，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）修饰多壁碳纳米管（MWCNT）与硬脂酸改性氧化锌（SA-ZnO）的协同作用，构建具有梯度交联结构和低表面能的超疏水防冰涂层。研究通过分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）揭示了微观结构与光热性能的协同防冰机制，为极端环境下的长效防冰/除冰材料开发提供了新策略。

　　

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Materials

铝金属板（尺寸：35 mm35 mm1 mm）由圣乔治公司提供，多壁碳纳米管（MWCNT长度3–12 μm，直径8–15 nm）由深圳穗亨石墨烯科技提供，聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其固化剂由美国道康宁公司提供。纳米氧化锌颗粒（ZnO粒径30±10 nm）购自国药集团化学试剂有限公司。无水乙醇（AR 99%）购自上海阿拉丁生化科技公司。盐酸（HCl）等试剂均采用分析纯。

Preparation and characterization of TPU-SZPC superhydrophobic coating

如图1所示，TPU-SZPC的制备主要包括三个步骤：1）通过硬脂酸（SA）修饰氧化锌（ZnO）制备SA@ZnO复合物；2）制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）与多壁碳纳米管（MWCNT）的复合材料PDMS@MWCNT；3）将两者混合得到终产物SA@ZnO-PDMS@MWCNT（SZPC），并将其喷涂于未完全固化的热塑性聚氨酯（TPU）表面，分别命名为TPU-11SZPC、TPU-12SZPC和TPU-13SZPC。通过扫描电子显微镜（SEM）、接触角测量仪和光热性能测试系统对涂层的微观形貌、疏水性及光热转化能力进行系统表征。

Conclusion

本研究通过先在铝基板上涂覆TPU，再喷涂SZPC涂层，制备了多尺度光热超疏水涂层TPU-SZPC。尽管TPU-13SZPC涂层的静态接触角（158.6±0.8°）略低于TPU-12SZPC（161.3±0.7°），但仍表现出优异的超疏水性能。TPU-12SZPC的卓越疏水性主要归因于SA@ZnO（SZ）与PDMS@MWCNT（PC）形成的多级结构的最优配比。分子动力学（MD）模拟分析了不同TPU-SZPC涂层表面水分子的相对浓度变化，证实了TPU-SZPC比例对疏水效果的调控作用。微观纳米多级结构与光热性能的协同效应显著抑制了冰核形成，而密度泛函理论（DFT）进一步证实PDMS修饰的MWCNT具有优异的光热转化能力。随着PDMS@MWCNT含量的增加，涂层的整体光热性能增强。该研究为开发极端环境下长效防冰/除冰材料提供了新思路。