研究背景
超疏水現象是一種特殊的表界面潤濕行為，這種現象表現為水與物體表面的接觸角大于150°，滾動角小于10°。超疏水表面具有疏水性能、防冰防腐性能。經過改性，超疏水涂層可具有如自愈合性、絕緣性、隔熱性等其它優異性能，這使得超疏水材料在電氣工程、機械工程、光熱轉化和微流體控制等方面得到應用。雖然超疏水材料性能優異，科研前景和工業應用前景非常廣闊，并且科研人員對于超疏水材料的研究已經取得了很大進展，但超疏水材料的大規模制備和回收降解仍然面對著巨大挑戰。超疏水材料制備所需要的材料和設備昂貴，制備工藝復雜，并且超疏水涂層表面的粗糙結構脆弱，在外力作用下容易受到破壞，使涂層失去疏水性。此外，超疏水材料的難降解特性也導致涂層失效后會對環境存在危害。因此研究堅固耐磨的超疏水材料及其回收對于超疏水材料在工業領域上的廣泛應用和科研領域上的持續發展具有十分重大的意義。
文章概述
近日，由華北電力大學王鵬教授領導的科研團隊制備了一種堅固耐磨、高效防覆冰的可回收超疏水涂層。使用可進行酯交換降解的4,5-環氧環己烷-1,2-二甲酸二縮水甘油酯（DGEAC），與結構設計和改性后的炭黑@二氧化硅（CB@SiO2-POTS）顆粒混合，通過非溶劑誘導的混合物相分離制備可回收的超疏水涂層（DGEAC/CB@SiO2-POTS）。所制備的涂層表現出優異的超疏水性，接觸角高達162.5°。涂層表面具有三層分級的微米/微米/納米復合結構，提供了優異的穩定性，在經歷多種耐久性測試后仍保持優異的超疏水性能。此外，在防冰應用方面，涂層表現出優異的延遲結冰性能（600s）、極低的覆冰黏附力（25.7 kPa）和快速光熱除冰能力（120 s）。所制備的超疏水涂層可在乙二醇的參與下快速降解，釋放其中的CB@SiO2-POTS顆粒，通過過濾掉降解的DGEAC以收集CB@SiO2-POTS顆粒，在5次回收之后，用CB@SiO2-POTS顆粒制備的涂層依舊保持較好地超疏水性。這種可回收超疏水涂層的制備和回收方法簡單，具有優異的環境友好性，為目前的超疏水涂層綠色環保化提供了一種參考思路。
圖文導讀
圖1 DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層制備示意圖
圖2 (a)CB-COOH顆粒表面形貌；(b)CB@SiO2-POTS顆粒表面形貌；(c)CB-COOH顆粒的掃描XPS光譜；(d)CB@SiO2-POTS顆粒的掃描XPS光譜；(e)CB-COOH顆粒和CB@ SiO2-POTS顆粒的FT-IR光譜。
圖3 (a) DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層的表面形貌；(b) 400次循環后砂紙磨損；(c)與其他涂料的比較；(d) 100、200、300、400次磨損循環后的水接觸角。
圖4 (a)膠帶剝離實驗；(b)熱穩定性實驗；(c)在不同pH溶液中浸泡4小時；(d) pH為5的HCl溶液和pH為11的NaOH溶液浸泡48 h；(e)紫外線老化照射336小時；f)耐鹽霧試驗。
圖5 (a) DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層和裸鋁板在室溫溫度下不同曝光時間后的光熱圖像；(b) DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層與裸鋁板在室溫溫度下的溫度變化曲線；(c) DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層表面光熱除冰的光學圖像；(d) 空白鋁板表面光熱除冰的光學圖像；(e) 15次循環凍冰融冰DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層表面的水接觸角和滾動角
圖6 (a) DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層表面結冰過程；(b) 空白鋁板表面結冰過程；(c) 不同溫度下DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層表面與鋁板表面的結冰時間；(d) 低溫碰撞的光學圖像；(e) DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層和裸露鋁板的覆冰粘附力
圖7 (a) DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層閉環回收過程示意圖；(b) DGEAC固化和降解反應示意圖；(c) CB@SiO2-POTS-Recovery顆粒的表面形貌；(d) CB@SiO2-POTS-Recovery粒子的XPS譜；(e) 在乙二醇中分解DGEAC/CB@SiO2-POTS超疏水涂層，然后重新收集原材料；(f) CB@SiO2-POTS顆粒與CB@SiO2-POTS-Recovery顆粒的FT-IR光譜比較。
結論
本研究設計制備了一種二氧化硅包裹炭黑的微納米疏水顆粒（CB@SiO?-POTS顆粒），結合可進行酯交換反應的多官能團聚酯（DGEAC），通過非溶劑之間的相分離作用成功制備了具有微米/亞微米/納米三層層級結構的超疏水涂層。該涂層表現出卓越的機械耐久性：經400次砂紙磨損、100次膠帶剝離后，接觸角仍高于150°；在400℃高溫、強酸（pH=1）、強堿（pH=13）及紫外老化（336 h）環境下，仍維持超疏水性。此外，涂層的光熱性能顯著，在模擬光照（1000 W/m2）下，表面溫度可在120 s內升至44℃，實現快速主動除冰；其覆冰粘附力（25.7 kPa）較裸鋁降低6倍，被動防冰性能優異。通過乙二醇輔助降解，超疏水顆粒回收率超過85%，且回收顆粒性能與原生顆粒基本一致，驗證了涂層的閉環回收可行性。該技術不僅解決了傳統材料的環境污染問題，還通過結構設計與動態共價鍵引入，實現了材料的高效回收與循環利用，為超疏水材料的可持續發展提供了理論支撐與技術路徑，推動了從“線性消耗”到“閉環再生”的材料設計范式轉變。
期刊簡介
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