二氧化钛修饰的仿生滑移液体灌注微结构表面：用于增强减阻、防冰及防生物附着性能

《Surfaces and Interfaces》：TiO? Modified Bionic Slippery Liquid-Infused Microstructure Surfaces for Enhanced Drag Reduction, Anti-Icing and Anti-Biofouling Performance

　　

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  TiO?粒径调控润滑剂保持能力和界面稳定性。
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  ERTi100-SLIPS在5000 rpm剪切后保留70 ± 5%的润滑剂。
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  水槽试验表明ERTi100-SLIPS的阻力降低幅度最高可达30%。
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  120°非对称图案在2 m s?1流速下将阻力降低率提高至52.7%。
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  优化后的SLIPS兼具阻力降低和多种防护功能。

引言

滑润液体浸润多孔表面（SLIPS）受猪笼草独特的滑润结构启发，已成为一类具有卓越低粘附和低摩擦特性的先进多功能涂层[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。与传统依靠捕获空气泡且易在高压和机械剪切下失效的超疏水表面不同，SLIPS通过将微纳结构基底与固定化润滑层相结合，构建稳定的固-液复合界面。这种结构特征赋予SLIPS在减阻、防冰和防生物污损方面的卓越性能，使其在海洋、航空航天和工业防护应用中极具竞争力[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。

环氧树脂凭借其优异的机械强度、附着力和化学稳定性，是构建SLIPS防护涂层的理想基材材料，已在设备表面保护领域得到广泛应用。然而，纯环氧基SLIPS存在表面粗糙度不足、润滑剂保持能力差和抗剪切性能弱等问题。在高速流体剪切和长期循环服役条件下，润滑层易损失和失效，导致减阻、防生物污损和防冰性能迅速衰减，极大限制了其工程实际应用。纳米粒子改性是优化SLIPS涂层微纳结构和综合性能的有效策略。TiO?纳米粒子具有高化学稳定性、优异的结构可调性和低成本，能够在环氧树脂表面有效构建分级微纳粗糙结构，从而提高涂层的润滑剂负载和保持能力[[15], [16], [17], [18], [19]]。此外，TiO?还具有优良的耐磨性和紫外屏蔽能力，可进一步提升环氧涂层的整体耐久性。已有研究表明，纳米填料的粒径对复合涂层的分散状态、表面微结构和功能特性有显著影响。小粒径TiO?有利于均匀分散，而较大粒径则显著增加表面粗糙度[20,21]。然而，TiO?粒径与环氧基SLIPS综合性能之间的关联尚未得到系统阐明，多功能涂层设计中的最佳粒径仍有待探索。

流体动力学减阻和表面防护性能对海洋和航空航天工程至关重要。对于海洋船舶，生物污损附着和持续的流动阻力显著增加了燃料消耗和运营成本，从而限制了经济高效的航行[22-25]。水槽试验已证实SLIPS可将流体阻力降低高达40%，在海洋减阻应用中展现出巨大潜力[26, 27]。同样，防冰涂层对于航空航天和海洋设备不可或缺，因为服役过程中的结冰严重威胁运行安全并降低工作效率[28-30]。通过抑制冰晶成核位的形成，SLIPS有效削弱了冰与基材之间的附着力，将冰粘附强度降低至20 kPa以下[[31], [32], [33], [34]]。SLIPS的低表面能润滑层可高效抑制藻类和细菌的附着，赋予涂层防生物污损性能[[35], [36], [37], [38]]。然而，大多数现有研究仅关注SLIPS的单功能特性，即防冰或防生物污损行为，而忽视了其在复杂服役环境下剪切稳定性、减阻特性和长期多功能耐久性的系统评估。这些研究空白极大阻碍了高性能SLIPS涂层的产业化推广和实际工程应用，凸显了该领域开展综合性能探索的必要性。近期研究进一步表明，SLIPS的防冰耐久性强烈依赖于润滑剂的负载、储存和释放行为[39,40]，而喷涂制备的滑润涂层可将防冰与其他防护功能相结合[41]。近期多功能海洋涂层同样展示了从单一防水功能向集防生物污损、防腐保护和自分离性能于一体的转变[42]。

除了优化材料组分，仿生表面图案化是提高减阻的另一种途径。受仙人掌刺和蛛丝等自然结构启发，非对称表面几何形状和润湿性梯度可引导液体输运[[43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50]]。此前研究进一步表明，楔形结构可产生几何依赖性的毛细压差并促进优先液体输运[[51], [52], [53]]。特别是，在含有楔形凹槽和定向毛细图案的表面上直接观测到了可控的润滑剂自输运[51]。这些发现为"非对称几何形状可能改变润滑剂铺展和再分配路径"的观点提供了物理基础，尽管本研究并未直接可视化润滑剂迁移。高精度光刻微加工（PμSL）制备的仿生分级结构也表明，可控的非对称几何形状可调节液滴运动和流体动力学性能，凸显了结构设计在界面输运和减阻中的重要性[54]。

本研究将TiO?粒径调控与非对称表面图案化相结合，以提高环氧基SLIPS的界面稳定性和流体动力学性能。首先，比较了粒径为50、100和500 nm的TiO?纳米粒子，以阐明粒径与表面微纳结构、润滑剂保持能力和剪切稳定性之间的关系。使用100 nm TiO?制备的适度发展的分级结构在润滑剂储存与抗剪切损失之间取得了平衡。其次，评估了优化后的ERTi100-SLIPS在减阻、延迟结冰、藻类脱附和防腐保护方面的性能，以考察润滑剂介导的界面稳定性如何影响不同的表面功能。最后，构建了顶角为60°、90°和120°的非对称图案，以考察减阻效果对图案几何形状的依赖性。120°图案在高流速下保持了最高的减阻率，表明其几何形状有利于流动条件下的界面润滑剂再分配。这些结果为设计适用于海洋应用的耐用多功能SLIPS提供了"结构–界面–性能"框架。通过阐明粒径调控的表面形貌如何控制润滑剂保持和润滑剂介导界面的稳定性，本研究推进了对SLIPS多功能性能背后表面–界面相互作用的理解。

章节摘要

材料

环氧树脂（E44）和聚酰胺固化剂（PAMAM）购自丹宝树脂（中国）。二氧化钛（TiO?）纳米粒子（50 nm、100 nm、500 nm）购自远盈新材料（中国）。γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和硅油（100 mPa·s）购自阿拉丁（中国）。无水乙醇（99.8%，分析纯）购自天津新博特化学（中国）。铝基底（30 × 30 mm）由奇源金属（中国）供应。小球藻培养基

表面形貌与润湿性

ERTi-SLIPS的详细制备流程示意于图1a。将TiO?纳米粒子在硅烷偶联剂的辅助下均匀分散于环氧树脂中，获得均匀的复合悬浮液。将混合溶液喷涂于基底表面并热固化，构建微米级粗糙涂层，随后浸渍硅油以制备滑润液体浸润多孔表面（SLIPS）。具有不同顶角的图案化ERTi-SLIPS

结论

制备了用50、100和500 nm TiO?纳米粒子改性的环氧基SLIPS，并评估了其润滑剂保持能力、减阻效果、延迟结冰、冰粘附、藻类脱附及防腐保护性能。在所测试的配方中，ERTi100-SLIPS在分级形貌、润滑剂保持能力和界面流动性方面表现最为优异。在5000 rpm剪切处理下保留了70 ± 5%的润滑剂，并在……维持了超过20%的减阻率

CRediT作者贡献声明

杨翔宇：概念化；数据整理；写作–初稿撰写。郑佳琦：数据整理；写作–初稿撰写。尹晟言：写作–审阅与编辑。孙航：概念化；资金获取；监督指导；写作–审阅与编辑。杨翔宇和郑佳琦对本文章有同等贡献。

数据可用性

数据可在合理请求下从通讯作者处获取。

未引用参考文献

[22,23,24,25,28,29,30]

CRediT作者贡献声明

杨翔宇：写作–初稿撰写、数据整理、概念化。郑佳琦：写作–初稿撰写、调查研究、数据整理、概念化。尹晟言：写作–审阅与编辑、项目管理。孙航：写作–审阅与编辑、监督指导、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3015702）和吉林省教育厅（JJKH20261568KJ）的资助。

杨翔宇|郑佳琦|尹晟言|孙航