引用格式：

Xiao Z, Chen C, Liu S, et al. Endowing durable icephobicity by combination of a rough powder coating and a superamphiphobic coating[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 482: 149001.

防冰技术的研究引起了越来越多的关注，因为冰在表面上的粘附和积聚会造成交通堵塞、通信故障、停电以及航空、电信、电力和运输行业中的设备损坏。目前主流防冰技术分为两大类：超疏水表面和润滑表面。润滑涂层由于具有润滑油层，可大大降低冰的附着，在易除冰方面具有很大的应用潜力。但其表面易吸附杂质，延迟结冰能力差，在应用中还有很长的路要走。作为一种被动防冰技术，超疏水表面因其独特的结构和性能、无能耗、重量轻、防冰能力强而被认为是最有前途的防冰技术。然而，超疏水性非润湿表面由于其微观表面对电泳的机械稳定性差而受到阻碍，并且其实际工程应用仍然具有挑战性。

本文采用静电粉末喷涂和溶液喷涂两种方法制备了具有高机械稳定性和层状结构的防冰涂层。所制备的涂料使用的溶剂更少，更环保。底漆涂层对基体树脂具有选择性而不受任何影响，导致高粗糙度和低表面能特性，因此具有优异的超两亲性和防冰能力。由于树脂与纳米SiO2粒子之间形成了网状交联结构，以及改性纳米SiO2粒子的嵌入，使涂层具有优异的耐磨性。此外，该涂层还具有优异的自清洁性能、电化学耐腐蚀性和盐溶液浸泡能力。这种具有高机械稳定性的超双疏涂层在户外应用中具有广阔的前景，有望进一步应用于环境友好型防冰/除冰涂料的开发。

制备：

图2.原始粉末颗粒形貌与复合涂层表面层次结构。

所用的原始PET粉末颗粒如图2a所示。颗粒具有不规则的几何形状，并且表面相对光滑，如放大图像所示。图2c示出了在球磨和混合PET粉末与改性SiO2之后形成的超疏水粉末颗粒。超疏水粉体颗粒仍然是不规则的，但其表面棱角更加明显。放大图像显示表面已被改性SiO2覆盖，部分纳米SiO2已嵌入软质树脂颗粒表面，为改性纳米SiO2在涂料内部的分布均匀性提供了依据。此外，与粗糙PET涂层（图2d）相比，粗糙PET/SiO2涂层（图2e）更均匀。涂层表面包括微米突起和每个突起结构表面上的亚微米和纳米结构，指示分级结构。图2f显示了粗糙PET/SiO2涂层的横截面SEM图像及其放大形貌。从图中可以看出，涂层形成了微米级的凸起结构，呈小山状，凸起结构之间存在良好的桥状结构。

超双疏涂层的表面非润湿性：

图4.超疏水性复合涂层的照片（a）液滴，（b）液体射流弹射，（c）水滴冲击/弹射，（d）十六烷液滴以0.77 m/s 的速度冲击/弹射到涂层表面。

长期防冰性能与机理分析：

粗糙PET和粗糙PET/SiO2涂层的冰粘附强度均显示出先略微降低然后增加的趋势（图5a）。这是因为当底漆中SiO2的量少时，涂层的粗糙度小，使得冰难以钉在涂层的表面上。随着SiO2添加量的继续增加，粗糙PET涂层表面的冰附着力迅速增加，而粗糙PET/SiO2涂层表面的冰附着力增加缓慢，这是由于表面能和粗糙度之间的竞争。对水滴在冻结过程中润湿性的实时测试表明，超双疏粗糙PET/SiO2涂层（PET：SiO2 = 60：1）的疏水角保持最好。冻结后，冰晶和涂层表面之间的角度保持在152 °。

图5 b和5c示出了不同涂层磨损的冰粘附和结冰延迟时间，试验结果表明，无论采用哪种磨损方式，相对于平板型、粗糙型和平板型PET/SiO2涂层，粗糙型PET/SiO2涂层的防冰性能最好，冰附着力最小，冰延迟时间最长。在1000次磨损循环中，覆冰附着力下降到18.7kPa，覆冰延迟时间保持在2596 s，表现出优异的长期防冰性能。令人惊讶的是，涂层的冰附着力随着摩擦而降低，这与表面粗糙度的降低密切相关。

为了直接判断涂层的防冰能力，在-20 ℃下预冷的涂层表面上分别观察了50 ml过冷水滴落，包括平坦PET、粗糙PET、平坦PET/SiO2、粗糙PET/SiO2和粗糙PET/SiO2涂层，在1000个Taber磨损循环之后。测试后的状态图像如图5d所示。可以看出，大量的冰层已经粘附在平坦的PET和粗糙的PET涂层表面上。在PET/SiO2的平表面上形成了少量的冰晶而不是冰层。而在1000次Taber磨损循环后，粗糙PET/SiO2和粗糙PET/SiO2涂层上均没有冰晶或冰层形成，这显示出优异的排斥冷涂层表面上的水的能力。

超机械稳定性:

图6.超双疏涂层的机械稳定性。

超双疏涂层的防腐蚀性能:

图7.超双疏涂层的防腐性能测试。

通过极化测量和电化学阻抗谱来评价所制备的涂层的防腐蚀性能。在盐溶液中浸泡10天后，粗PET/SiO2涂层的腐蚀电流密度（3.50 × 10−10 A·cm−2）和腐蚀电位（−0.31 V）都能保持很好的性能。图S17 b和c分别显示了在Nyquist和Bode图上的平坦PET、平坦PET/ SiO2、粗糙PET/SiO2和粗糙PET/SiO2涂层在盐水溶液中浸泡10天的阻抗。粗糙的PET/SiO2薄膜的阻抗显著增加。涂层表面的气垫效应阻碍了3.5 wt % NaCl 溶液与涂层的直接接触。这些结果表明，粗糙的PET/SiO2涂层大大提高了铝基底的防腐蚀能力。

结论:

本文所采用静电粉末喷涂和溶液喷涂技术制备了具有高机械稳定性和层次拱形结构的防冰涂层。制备的涂层对基体树脂具有选择性，不会影响其性能。对于表面能相近的表面，表面粗糙度越大，钉冰效果越明显，冰的解吸能力越差。涂层的初始附冰强度为 89.6 kPa，在-15 ℃条件下可延迟结冰4436 s。树脂与二氧化硅纳米颗粒之间的网状交联结构以及表面二氧化硅纳米颗粒的嵌入使涂层具有优异的耐磨性。在 1000 g 负荷下，使用磨损循环 1000 次，砂纸研磨 100 m，20 m/s 下砂蚀 450 min，涂层仍能保持超疏水性。此外，该涂层还具有良好的自清洁、耐电化学腐蚀和盐溶液浸泡能力。这种多功能涂层具有巨大的环保应用潜力。

相应的成果以“Endowing durable icephobicity by combination of a rough powder coating and a superamphiphobic coating”为题发表在Chemical Engineering Journal上。论文第一作者为济南大学机械工程学院肖振老师。

中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。

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