无氟光热超疏水自修复抗冰织物：面向寒冷环境防护的多功能集成设计

针对传统织物在寒冷潮湿环境中易吸水结冰、耐久性差的问题，研究人员通过一步喷涂法构建了基于聚多巴胺-二氧化硅核壳纳米颗粒（PDA@SiO2 ）和超分子聚合物基质（PIT）的无氟光热超疏水织物（PSF）。该材料具有162.6°的水接触角、838秒的延迟结冰时间（-20℃）和23.5 kPa的低冰粘附强度，在1.0 kW/m2 光照下330秒内升温至75.2℃，兼具自修复和光热除冰功能，为极端环境防护提供了可持续解决方案。

　　

在寒冷环境中，传统纺织品因吸水结冰导致热绝缘失效、重量增加等问题，严重影响户外工作者和军事人员的防护效果。尽管超疏水涂层能提供防水功能，但普遍存在含氟化合物污染、机械耐久性差、被动抗冰性能有限等瓶颈。更棘手的是，现有自修复材料依赖外部刺激（如加热、溶剂），在低温环境下修复效率低下，且缺乏主动温度调节能力。如何开发兼具环境友好性、长效耐久性和光热响应性的多功能织物，成为材料科学领域的重大挑战。

针对这一难题，中国的研究团队创新性地将仿生化学与纳米技术相结合，设计出基于聚多巴胺-二氧化硅（PDA@SiO₂
）核壳纳米颗粒的超分子复合材料。通过一步喷涂工艺构建的光热超疏水织物（PSF），不仅实现了无氟超疏水性能，还整合了太阳能驱动自修复和主动除冰功能。这项突破性成果发表在《Materials》期刊，为极端环境防护材料提供了新范式。

研究采用三大关键技术：1）微乳液法制备具有树莓状形貌的PDA@SiO₂
核壳纳米颗粒，通过十二烷基三乙氧基硅烷（DTES）疏水改性；2）超分子聚合物网络（PDMS-IPDI-TFB）合成，利用动态亚胺键和氢键实现自修复；3）喷涂沉积工艺将纳米复合浆料均匀涂覆于织物基底，80℃固化形成微纳分级结构。

3.1 核壳纳米颗粒的构建与表征
通过氨催化氧化聚合制备375 nm聚多巴胺纳米颗粒（PDA NPs），再经正硅酸乙酯水解包覆25 nm二氧化硅壳层。透射电镜显示典型的核壳结构，zeta电位从-22.7 mV降至-37.2 mV，乙醇分散稳定性从24小时提升至30天。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实SiO₂
特征峰（1060 cm^-1
）的出现，热重分析显示硅壳占比53.41%。光热测试表明，PDA@SiO₂
在1.0 kW/m²
光照下升温速率比纯PDA提高16%，归因于硅壳增强的光散射效应。

3.2 光热超疏水织物的制备
将疏水化PDA@SiO₂
与含动态共价键的聚二甲基硅氧烷-异佛尔酮二异氰酸酯-三甲酰基苯（PIT）树脂复合，通过喷涂构建微米级突起结构。扫描电镜显示涂层表面形成类似荷叶的粗糙形貌，X射线光电子能谱（XPS）检测到Si（152.8 eV）和N（399.6 eV）特征峰。所得PSF接触角达162.6°，滑动角<3°，可抵抗各种液体（牛奶154.6°、茶160.7°）浸润。透气性测试表明，盐酸蒸汽和90℃水汽均可快速透过织物。

3.3 超疏水耐久性验证
经220次砂纸摩擦（9.8 kPa）、500次胶带剥离和8小时超声处理后，接触角仍保持150°以上。在pH=1的盐酸和pH=14的氢氧化钠中浸泡24小时后，接触角仅下降9.4°。紫外辐照80小时后，表面温度仍可达75.2℃（1.0 kW/m²
），证明优异的环境稳定性。

3.4 自修复性能机制
氧等离子体处理2分钟后，PSF表面从超疏水（161.5°）变为超亲水（0°）。XPS显示氧含量从22.23%增至45.72%，证实疏水基团氧化。在室温下静置12小时或1.0 kW/m²
光照20分钟后，接触角恢复至160°以上。这种自发修复源于PIT网络中动态亚胺键（C=N）重构和硅氧烷链段（PDMS）的迁移能力，差示扫描量热法（DSC）测得玻璃化转变温度（T_g
）低至-114.6℃。

3.5 抗冰与光热除冰性能
在-20℃环境中，PSF表面水滴冻结时间延长至838秒，是普通织物的27倍。冰粘附强度仅23.5 kPa，较未处理织物（612.7 kPa）降低96%。在1.0 kW/m²
光照下，1 cm³
冰块613秒内完全融化，而对照组需2166秒。10次冻融循环后，光热转换效率无显著衰减。

这项研究通过巧妙的核壳结构设计和超分子工程，首次实现了无氟超疏水、自修复与光热除冰功能的协同集成。PDA@SiO₂
核壳颗粒既作为光热转换器又作为粗糙度构建单元，而动态共价网络赋予材料室温自修复能力。相比传统含氟材料，该PSF织物展现出更优异的环境适应性和可持续性，在极地装备、电力设施防冰等领域具有重要应用前景。特别值得注意的是，材料在-15℃低温下仍能通过分子链段运动实现自修复，突破了现有技术对高温刺激的依赖。未来研究可进一步优化纳米颗粒负载量，探索大规模连续化生产工艺，推动该技术向实际应用转化。