《Progress in Organic Coatings》：From patterned to continuous hydrophilic surface lubrication as strategies to obtain durable low ice adhesion coatings
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在航空领域，除冰主要依赖于高能耗的主动除冰系统和防冰液，这些方法对操作和环境有显著影响。作为一种替代方案，可以使用被动低结冰或低冰粘附表面。然而，现有的被动防冰和低冰粘附材料通常缺乏耐久性，依赖复杂的制造方法，或无法集成到认证涂层系统中。通信、船舶和低温保存等
在航空领域，除冰主要依赖于高能耗的主动除冰系统和防冰液，这些方法对操作和环境有显著影响。作为一种替代方案，可以使用被动低结冰或低冰粘附表面。然而，现有的被动防冰和低冰粘附材料通常缺乏耐久性，依赖复杂的制造方法，或无法集成到认证涂层系统中。通信、船舶和低温保存等其他领域也面临类似挑战。在本研究中，研究人员介绍并比较了几种可扩展的无全氟和多氟烷基物质（PFAS-free）表面改性策略，这些策略基于表面润滑以获得低冰粘附。研究人员进一步开发并使用了稳健的自制多通道冰粘附测试装置，贯穿整个研究。这些策略应用于三种聚合物基底（商用飞机聚氨酯（PU）面漆、聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）），包括：(i) 可控紫外（UV）暴露，(ii) 硅油微滴污染，(iii) 基于共价接枝聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯）（PHEMA）的亲水微图案，以及 (iv) 基于2-（甲基丙烯酰氧基）乙基三甲基氯化铵（DMC）的UV固化亲水喷涂涂层。UV降解对冰粘附的降低表现出微小但可测量的影响。另一方面，涂覆有分子水层形成处理（PHEMA图案和DMC）的表面在-10 °C时显著降低了冰粘附，优于油微滴。与均匀的PHEMA接枝一起，DMC涂层在循环测试中实现了最低的粘附强度——始终低于20 kPa，这归因于非冻结表面水层的形成。这些结果表明，无全氟和多氟烷基物质（PFAS-free）的水润滑亲水涂层为新一代有效被动防冰材料提供了一条有希望的途径。
**论文解读：从图案化到连续亲水表面润滑：实现持久低冰粘附涂层的策略**
**研究背景与问题**
航空领域，冰积聚会严重影响飞行安全与效率，传统主动除冰系统（如电热加热）能耗高且增加结构重量。被动防冰材料通过降低冰粘附强度（<30 kPa）可实现气流自动除冰，但现有策略存在耐久性差、制备复杂或无法与现有航空涂层兼容等问题。例如，超疏水表面依赖微纳结构易磨损，弹性体易机械损伤，油注入表面润滑剂易耗尽。因此，开发可扩展、耐久、无全氟和多氟烷基物质（PFAS-free）的被动防冰涂层具有迫切需求。本研究旨在系统比较多种亲水润滑策略，并验证其在不同聚合物基底上的冰粘附性能，为航空及其他领域提供新方案。论文发表在《Progress in Organic Coatings》。
**研究方法**
研究人员构建了具有精确温湿度控制（-10 °C，5%相对湿度（RH））和五个样品位的水平剪切（推）冰粘附测试装置，确保可重复测量。关键技术包括：通过表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）在PU、PVC和PP基底上制备共价接枝聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯）（PHEMA）微图案（条纹宽150 μm，间距1.2 mm）或均匀涂层；开发基于2-（甲基丙烯酰氧基）乙基三甲基氯化铵（DMC）的UV固化亲水喷涂涂层（厚约50 μm）；使用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）表征表面粗糙度，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学变化，静态水接触角（WCA）测量润湿性。
**研究结果**
**3.1 冰粘附测试装置的设计、构建与验证**
通过对比聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚碳酸酯（PC）的冰粘附值（~150 kPa、~450 kPa、~150 kPa、~350 kPa），与文献值吻合，验证了装置的可靠性和重复性。
**3.2 样品制备与表面表征**
UV暴露（5 h和10 h）使PU和PVC表面更亲水（WCA降低），同时粗糙度（Sa）减小；PP在5 h后亲水化，10 h后疏水恢复。PHEMA接枝后WCA低至40°±3°，表面粗糙度未显著增加。DMC涂层使所有基底WCA稳定在62°±1°，Sa=0.25±0.02 μm，掩盖了基底特性。
**3.3 UV暴露对冰粘附的影响**
PU和PVC经UV暴露后冰粘附轻微上升（PU从824 kPa升至873 kPa，PVC从687 kPa升至691 kPa），归因于极性氧化基团增强氢键。PP在10 h UV暴露后冰粘附从171 kPa降至85 kPa，与疏水恢复一致。
**3.4 油和水润滑在降低冰粘附中的作用**
硅油微滴使所有基底冰粘附适度降低（PU降至698 kPa，PVC降至582 kPa，PP降至147 kPa），但不如连续油膜有效。PHEMA图案化表面使冰粘附大幅降低（PU 119 kPa，PVC 71 kPa，PP 25 kPa），均匀PHEMA接枝表面低于检测限（5 kPa）。DMC涂层实现最低冰粘附（PU 25 kPa，PVC 22 kPa，PP 20 kPa，部分低于5 kPa），归因于非冻结水层（MWL）的形成，该水层在-10 °C保持液态，提供可自补充的润滑。
**3.5 与现有防冰策略及文献基准的比较**
与文献中水平剪切测试结果对比，DMC涂层的冰粘附（≤20 kPa）处于亲水润滑涂层（WLS）最低水平，且优于超疏水（SHS）和油注入（LIS）等策略。循环测试15次后，DMC涂层无可见降解，冰粘附始终低于30 kPa，显示良好稳定性。
**讨论与结论**
研究表明，亲水表面润滑（尤其是DMC涂层）通过形成非冻结水层有效降低冰粘附，优于UV降解和油污染。DMC涂层采用简单UV固化喷涂工艺，可直接应用于现有航空聚氨酯（PU）面漆，无需复杂制备，且无全氟和多氟烷基物质（PFAS-free），在重复测试中保持性能。结论指出，亲水涂层为开发持久、可扩展、航空兼容的被动防冰材料提供了有前景的基础。未来工作需优化涂层化学、耐久性，并评估其在冰风洞和高速过冷水滴冲击下的表现。
