一种基于MXene的层层自组装超疏水涂层，用于高效防冰/除冰

《Chemical Engineering Journal》：A robust layer-by-layer self-assembled MXene-based superhydrophobic coating for highly efficient anti-icing/deicing

　　

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  层层自组装实现了稳健的超疏水MXene涂层。
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  该涂层表现出水接触角170.1°，滚动角5.6°，以及典型的Cassie-Baxter润湿状态。
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  该超疏水涂层在?30 °C下实现了252秒的延迟结冰时间。
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  该涂层在?30 °C下实现了52秒的光热和25秒的电热除冰。
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  该涂层具有优异的耐洗涤、耐磨耗和耐冻融循环稳定性。

引言

棉织物因其优异的生物相容性[1]、透气性[2]和机械柔韧性[3]，[4]，被广泛应用于户外服装、极地考察帐篷以及输配电系统的绝缘包覆材料。然而，棉纤维上丰富的羟基使其本质上具有亲水性，在零下和高湿度条件下容易发生水蒸气凝结和积冰[5]，[6]。在极端寒冷环境中，棉织物上的结冰可能会降低防护服装的活动性，增加低体温症的风险，甚至导致电网系统中绝缘纺织部件的失效[7]，[8]。

当前的除冰技术，包括电加热[9]、化学除冰[10]、机械振动[11]和超声波除冰，在特定的工程场景中有效，但往往存在能耗高[12]、对柔性纺织品的适应性有限以及对织物可能造成结构性损伤[13]等问题。因此，基于材料的防冰/除冰涂层引起了越来越多的关注[14]。目前最先进的策略主要包括含氟低表面能涂层、有机硅或蜡基无氟超疏水涂层、润滑液注入表面，以及掺入碳材料[15]、金属氧化物颗粒、导电聚合物或二维填料的的光热/电热涂层[16]。其中，含氟涂层能有效降低表面能[17]，但与全氟和多氟烷基物质（PFAS）相关化学物质的持久性和环境问题推动了可持续无氟替代品的开发[18]。纯被动超疏水涂层可以通过减少水的粘附力和接触面积来延迟结冰，但在凝结、霜层生长、磨损或反复结冰/除冰循环条件下，其性能会恶化。因此，将被动防冰与主动光热/电热除冰相结合，已成为实现高效低能耗防冰的重要途径[19]。

MXene近年来已成为多功能防冰/除冰涂层中有前景的功能填料[20]，因为其二维层状结构有助于构建微纳级粗糙度[21]，同时其高导电性和光热转换能力使其具备电热和光热响应[22]。与此同时，MXene在摩擦学材料领域也引起了广泛关注[23]，其摩擦和磨损行为受层间/片层剪切、表面官能团[24]和界面相互作用[25]的控制。为了进一步优化摩擦磨损性能，已开发出MXene/MoS?复合材料，将MXene的承载能力和摩擦膜形成能力与MoS?的低剪切滑动特性相结合，在润滑剂添加剂和固体涂层配置中表现出协同减摩耐磨效果[26]。然而，MXene基或MXene/MoS?复合涂层的长期耐久性仍受限于氧化稳定性、涂层内聚力和界面粘附力，尤其是在通常采用非共价组装的柔性纺织基材上[27]。聚二甲基硅氧烷（PDMS）此前已被用于使棉纱布疏水化，包括一种为止血和防粘附应用而开发的PDMS/疏水改性纤维素纳米晶体体系[28]。在本研究中，PDMS主要作为无氟低表面能涂层用于超疏水化处理。

在本工作中，我们提出了一种羟基活化与静电锚定的稳健界面增强策略，用于在棉织物上构建集成的光热层和超疏水层结构（方案1a）。通过利用碱诱导的羟基活化过程和聚乙烯亚胺（PEI）作为阳离子分子桥，我们通过静电自组装实现了MXene纳米片在棉纤维上的均匀稳定负载。随后引入低表面能聚二甲基硅氧烷（PDMS），完成了被动-主动功能耦合，实现了高效延迟结冰和快速除冰。在PEI分子的协同作用下，MXene纳米片均匀有序地沉积在阳离子化棉织物表面，形成稳定的纳米片基涂层结构。该结构不仅显著增加了织物的微纳级表面粗糙度，还赋予其高效的光热和电热功能。在层层组装过程中，阳离子聚合物PEI通过静电相互作用和氢键的结合，有效中和了棉纤维和MXene表面的负电荷，同时作为分子桥将MXene牢固锚定在棉织物上（方案1b）。这为后续功能性涂层构建提供了稳健的界面基础。基于这些发现，本工作提出了一种称为“羟基活化-静电锚定”的界面增强策略。通过碱处理引入表面羟基，并结合PEI的阳离子（NH₃⁺）桥接效应，有效增强了MXene-PDMS涂层与棉织物基材之间的界面粘附力。这项系统性研究有效克服了MXene基涂层的不稳定性问题，为极端环境下的防冰应用提供了一种高性能、无氟且环保的解决方案。

章节片段

材料

棉织物（CF，180 g/m²）购自上海纺织工业技术监督研究所。MAX（Ti₃AlC₂，98%，400目）购自中国亿艺科技有限公司。氟化锂（LiF，99.99%）、聚乙烯亚胺（PEI，平均分子量70,000，99.99%）由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。盐酸（36.0–38.0 wt%）和无水乙醇（AR，99%）由国药集团化学试剂有限公司提供。

结构与形貌表征

为了验证MXene和PDMS在棉织物表面的成功构建，并阐明羟基活化和静电锚定的潜在机制，采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对所制备的超疏水棉织物进行了表征，以分析其结构特征和化学组成。图1a展示了PDMS/MXene/PEI超疏水棉织物的XRD图谱。

结论

本研究通过简便的层层自组装策略，设计并构建了一种集成的MXene/PEI/PDMS复合涂层，该涂层具有光热功能层和超疏水界面层的稳健结构。该设计的核心是“羟基活化-静电锚定”的界面增强策略，该策略有效增强了涂层与棉基材之间的界面结合强度，有效克服了MXene基涂层的常见问题。

CRediT作者贡献声明

方熙轩：撰写–初稿。 冯宇：数据管理。 胡飞：调查研究。 刘珂：撰写–审阅与编辑。 冯玲玲：正式分析。 李伟：监督。 乔辉：撰写–审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了江南大学大学生创新创业训练计划项目（2026CXY098）、江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX24_2546）、江苏省自然科学基金（BK20201343）和国家自然科学基金（21201083）的资助。作者感谢科学指南针（www.shiyanjia.com）在XPS和TEM测试方面提供的支持。

方熙轩|冯宇|胡飞|刘珂|冯玲玲|李伟|乔辉