严苛环境下的智能涂层：具有主动光热防冰和自修复功能的环氧复合材料

《Progress in Organic Coatings》：Smart coating for harsh environments: An epoxy composite with active Photothermal anti-icing and self-healing functions

　　

极端机械环境容易出现低温结冰、机械磨损和表面开裂等问题。现有涂层通常功能单一，难以平衡光热响应性、防冰/除冰能力和自修复性能，无法满足设备的长期保护需求。为解决这一问题，研究人员报道了一种制备多功能涂层的新策略，其中聚砜（PSF）微胶囊封装妥尔油脂肪酸（TOFA）用于自修复，同时引入聚吡咯用于光热防冰/除冰。所得的光热转换可实现局部加热，以按需释放润滑剂和修复裂纹。聚吡咯包覆的PSF-TOFA微胶囊（PSF-TOFA@PPy）与改性二氧化硅一起均匀分散在环氧树脂中，随后通过旋涂或滴涂施加到基材表面。热固化后，形成坚固耐用的复合薄膜，并对其光热性能、摩擦学行为和自修复效率进行了系统评估。在1太阳（1 sun）照射下，涂层表面温度达到87^°C，并在145秒内修复表面划痕。它还表现出长达435秒的延迟结冰时间，而在-15^°C、1太阳（1 sun）光照下，表面霜冻在358秒内完全融化。这项工作为保护在极端机械环境（如严苛海洋应用）中运行的设备提供了一种可扩展的方法。

论文解读文章：

**研究背景与问题**

在低温条件下，大气水蒸气的沉积和冻结形成冰雪，这一过程伴随着熵减和相变能量的释放。冰雪的累积对交通、能源和基础设施等领域造成严重危害，如冰积导致设备损坏。传统除冰方法（机械清除、热融、化学喷洒）能耗高、环境负担大或损伤基材。因此，开发下一代防冰涂层成为研究热点，旨在通过界面工程被动抑制结冰或降低冰粘附。现有防冰策略包括超疏水结构、光/电/磁热融冰、以及润滑液注入多孔表面（SLIPS）。然而，这些策略在真实复杂环境（如湿度波动、紫外老化、机械磨损）中的长期稳定性不足。为此，将自修复功能集成到防冰涂层系统中成为一种关键思路，使涂层能自主修复表面损伤或润滑剂损失，从而在动态应力下维持防冰性能。智能涂层（smart coating）是一类能够感知并主动响应外部环境变化（如温度、光、pH、机械应力）的先进功能材料，其核心特征是“刺激响应性”或“适应性”。本研究针对现有涂层功能单一、难以协调光热响应（photothermal responsiveness）、防冰/除冰（anti-icing/deicing）和自修复（self-healing）的瓶颈，首次将光热响应、自主自修复与高效防冰/除冰集成于一体，实现了基于光热效应的统一双功能触发机制，克服了传统设计中自修复触发与除冰驱动力分离的问题，并利用聚吡咯包覆微胶囊与改性二氧化硅的合理复合，解决了机械磨损导致的性能退化瓶颈，为开发高稳定性智能防冰涂层提供了新策略。

**研究内容与结论**

研究人员通过复杂相乳化-溶剂蒸发法合成了聚砜（PSF）微胶囊封装妥尔油脂肪酸（TOFA），并通过原位化学氧化聚合在微胶囊表面包覆聚吡咯（PPy），形成PSF-TOFA@PPy微胶囊。将该微胶囊与改性二氧化硅均匀分散于环氧树脂中，通过旋涂或滴涂施加于基材表面，经热固化形成复合薄膜。系统评估了该涂层的光热性能、摩擦学行为和自修复效率。在1太阳（1 sun）光照下，涂层表面温度达到87^°C，可在145秒内修复表面划痕；延迟结冰时间达435秒；在-15^°C、1太阳光照下，表面霜冻在358秒内完全融化。该工作提供了一种可扩展的方法，用于保护恶劣机械环境（如严苛海洋应用）中的设备。论文发表于《Progress in Organic Coatings》。

**关键方法**

研究采用的关键技术方法包括：复杂相乳化-溶剂蒸发法制备PSF-TOFA微胶囊；原位化学氧化聚合在微胶囊表面包覆聚吡咯；将PSF-TOFA@PPy微胶囊与改性二氧化硅（气相二氧化硅）通过旋涂或滴涂分散于环氧树脂中，经热固化形成复合薄膜；利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）表征微胶囊结构；采用红外热成像评估光热性能；通过摩擦磨损试验（未说明具体设备）评估摩擦学行为；利用光学显微镜观察自修复过程；通过结冰延迟时间和霜冻融化时间测试防冰/除冰性能。所有试剂与基材均购自商业供应商，无特殊样本队列。

**研究结果**

- **化学键表征（Chemical bond characterization）**：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重-差示扫描量热分析（TG-DSC）对合成的微胶囊进行表征。FTIR谱图显示，纯聚砜（PSF）和微胶囊颗粒均在约1584 cm^-1、1486 cm^-1、1236 cm^-1和1150 cm^-1处出现特征吸收峰，分别对应芳香环的C=C骨架振动和C-O-C对称/不对称伸缩振动，证实了微胶囊壳材的PSF结构。热分析（TG-DSC）结果（原文未提供详细数据）进一步确认了TOFA的成功封装及微胶囊的热稳定性。

- **光热性能与自修复性能**（基于摘要）：在1太阳（1 sun）光照下，涂层表面温度升至87^°C，利用光热转换产生的局部加热，可触发微胶囊破裂释放TOFA，实现表面划痕在145秒内的自主修复。这一光热驱动的自修复机制实现了按需润滑剂释放与裂纹修复的同步。

- **防冰/除冰性能**（基于摘要）：涂层表现出延迟结冰时间长达435秒，即在低温环境下显著推迟冰晶形成；在-15^°C条件下，表面霜冻在1太阳光照下358秒内完全融化，展示了高效的光热除冰能力。该性能归因于聚吡咯的光热转换与微胶囊的润滑剂缓释协同作用。

**讨论与结论**

研究将光热响应、自主自修复与防冰/除冰功能集成于单一复合涂层系统，通过聚吡咯包覆微胶囊和改性二氧化硅的协同设计，解决了传统涂层功能分离与机械磨损导致的性能退化问题。光热效应同时作为自修复触发和除冰驱动力，实现了高效智能响应，而非简单功能叠加。这一太阳能驱动策略避免了外部能源依赖，在极端机械环境中具有显著的实际应用潜力。

结论部分翻译如下：总之，通过复杂相乳化-溶剂蒸发法合成了PSF-TOFA微胶囊，并通过原位化学氧化聚合在微胶囊表面包覆聚吡咯。扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）证实了TOFA在聚砜壳层内的成功封装。构建了一种集成自主修复与光热防冰/除冰功能的光热自修复涂层。该涂层在1太阳（1 sun）照射下实现高效光热转换，触发微胶囊破裂以修复划痕，同时在低温下主动融化冰霜。该工作为开发用于严苛环境（如海洋领域）的耐久多功能智能涂层提供了可扩展的设计策略。