无氟多层超疏水涂层的协同光热与电热防冰保护机制研究

为解决传统含氟超疏水涂层（SHCs）的环境风险与全天候防冰性能不足问题，研究人员通过氟游离树脂基粉末涂层改性，构建了兼具TiN纳米颗粒光热层与碳纤维/石墨烯（GR-CF）电热层的双层协同防冰体系。该涂层表现出155°±1.5°接触角（CA）、1.5°±0.5°滚动角（RA）及<20 kPa冰粘附强度，在1.00 Sun光照和16 V电压下分别实现81.9°C和98°C的升温，为极端环境下的高效防冰提供了新策略。

　　

冰层积累对航海、航空及电力传输等领域构成重大威胁，传统防冰方法如机械刮除或化学处理效率低且不环保。受荷叶表面启发，超疏水涂层（SHCs）因其高接触角（CA>150°）和低滚动角（RA<10°）成为研究热点，但含氟材料的生态风险及低温环境下的性能退化限制了其应用。针对这些问题，上海某研究团队在《Progress in Organic Coatings》发表研究，提出了一种无氟双层超疏水涂层系统，通过光热与电热协同机制实现全天候防冰。

研究采用氟游离低聚物改性环氧树脂，结合喷涂技术构建双层结构：上层为TiN增强的耐磨光热层，下层为GR-CF三维导电网络电热层。关键技术包括扫描电镜（SEM）形貌分析、接触角测量、电化学测试（EIS）、以及Origin软件温度场模拟。

研究结果

1. TiN/GR-CF涂层表征：SEM显示TiN纳米颗粒均匀分布，形成微纳粗糙结构；XPS证实KH540与HDTMS成功接枝，降低表面能。
2. 超疏水性能：涂层CA达155°±1.5°，RA为1.5°±0.5°，动态弹跳实验显示水滴接触时间<10 ms。
3. 机械耐久性：经砂冲击（ASTM D968-17）、胶带剥离（10次循环）和砂纸磨损（800目，200 g负载）测试后，CA仍保持>150°。
4. 防冰性能：延迟冻结测试（-15°C）显示水滴冻结时间延长至1200 s，冰粘附强度<20 kPa。
5. 协同除冰：光热（1.00 Sun, 81.9°C）与电热（16 V, 98°C）联合作用使除冰效率提升40%。

结论与意义
该研究通过无氟改性与双层结构设计，解决了SHCs的环境兼容性与极端环境稳定性问题。TiN的光热效应与GR-CF的导电网络协同作用，实现了低能耗高效除冰。温度场模拟（R²
=0.98）为实际应用提供了数据支持，为船舶、电网等领域的防冰技术提供了新思路。研究由Chengzhi Zhang等完成，获国家自然科学基金（12372183）和上海市自然科学基金（24ZR1427600）资助。