中国民用航空飞行学院航空工程学院李安玲博士Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects：具有良好防冰性能和高耐久性的超疏水表面![]()
引用格式：
Anling Li, Guotao Li, Yuan Xu, Yangyang Jia, Yujie Liu,Superhydrophobic surface with good anti-icing properties and high durability,Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,Volume 698,2024,134539.
近日，中国民用航空飞行学院航空工程学院李安玲博士，利用自主研发并商业化的国产高通量冰粘附强度仪，研究发现在玄武岩纤维织物上构建了环氧树脂/苯并恶嗪/SiO2三元混合超疏水表面，经过30次反复的冻融过程，表面保持了其优异的防水性能，表现出优异的疏冰稳定性。该工作以"Superhydrophobic surface with good anti-icing properties and high durability"为题，于2024年6月13日发表在Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects期刊上。![]()
自主研发高通量冰粘附强度测试仪（左）搭载DIC测试系统（右）
冰的形成是自然界普遍存在的现象，而超疏水表面由于其优异的疏水性能，被广泛应用于防冰领域。本研究采用硅烷偶联剂(Si69)对花瓣状SiO2表面进行改性，降低其表面能。采用喷涂和热固化的方法在玄武岩纤维织物上构建了环氧树脂/苯并恶嗪/ Si69-SiO2三元混合超疏水表面。对数据的检查表明，Si69-SiO2和环氧树脂/苯并恶嗪的1:2比例产生的表面的疏水性是通过测量165±2◦的水接触角来量化的。水滴在表面反弹三次，表现出最佳的超疏水性。与未添加Si69-SiO2的样品相比，结冰时间延长了约4.83倍。经过30次反复的冻融过程，表面保持了其优异的防水性能，表现出优异的疏冰稳定性。此外，即使在3.2千帕的压力下与SiC砂纸(220目)摩擦200厘米，并在50克载荷下相互摩擦30分钟后，表面仍保持其超疏水性能，表现出优异的机械耐久性。表面可承受12小时以上的酸碱腐蚀，并具有优异的自清洁能力。
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图1. 硅烷偶联剂Si69对花瓣状SiO2的表面改性机理(以单一反应为例)。首先，Si69在溶液中水解。同时，Si69水解产物在水环境中遇到纳米SiO2表面的羟基时，会引发缩合反应。反应一段时间后，将反应产物干燥得到Si69-SiO2，其表面接枝了硅烷偶联剂。![]()
图2. (a) BPF和EP的化学式;(b) BPF作为EP固化剂的反应催化机理;(c)玄武岩纤维织物超疏水表面制备工艺流程图。![]()
图3.(a)示冰粘附强度试验装置;(b)砂纸摩擦试验示意图;(c)往复摩擦试验示意图。![]()
图4. (a)和(b)分别是花瓣状SiO2和Si69-SiO2颗粒的SEM和EDS分析;(c) Si69、SiO2和Si69-SiO2的FT-IR分析;(d)水滴与SiO2和Si69-SiO2颗粒接触试验。
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图5. (a) EP、BPF、BPF- E和BPF- E- SiO2的红外光谱;(b)不同Si69-SiO2颗粒含量的BPF-E-SiO2样品的静态WCA和WSA。
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图6. (a)、(b)和(c)分别为BPF-E质量比为0、0.5和0.6样品的花瓣状SiO2的三维形貌、SEM和EDS结果;(d)和(e)分别为BPF-E质量比为0和0.5样品的花瓣状SiO2的截面SEM结果。![]()
图7. (a)和(b)分别为BPF-E和BPF-E- SiO2样品的表面弹跳行为;(c)和(d)分别为BPF-E和BPF-E- SiO2样品的表面延迟结冰特性。
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图8. (a)和(b)分别显示了循环次数增加时BPF-E-SiO2样品表面冰附着强度的变化情况和反复除冰后BPF-E-SiO2表面接触角的变化情况;(c)显示BPF-E-SiO2试样表面的水接触角随砂纸摩擦距离的变化情况;(d)往复摩擦试验后BPF-E- SiO2表面接触角和摩擦系数随时间的变化趋势。![]()
图9. (a)和(b)分别描绘了磨纸摩擦试验和往复摩擦试验前后BPF-E-SiO2样品的三维形貌和SEM图像。![]()
图10. (a)显示BPF-E-SiO2样品在不同pH值溶液中浸泡12小时后的水接触角;自洁性能测试:(b) BPF-E样品，(c) BPF-E- SiO2样品。
试验表明，在3.2 KPa压力下，BPF-E-SiO2试样的磨损距离大于2.0 m，在50 g载荷下往复运动30 min后仍能保持超疏水性，综上所述，采用硅烷偶联剂Si69对花瓣状SiO2进行了表面改性，获得了具有疏水性的Si69-SiO2。随后，采用喷涂和热固化的方法，在玄武岩纤维表面制备了具有超疏水性能的双酚F-苯并恶嗪、环氧树脂和花瓣状SiO2三元复合涂层，称为BPF-E-SiO2。这可以归因于Si69-SiO2提供了微/纳米表面结构，并降低了整个系统的表面能。当Si69-SiO2与BPF-E体系的质量比为0.5时，BPF-E- SiO2样品表现出最佳的超疏水性，从液滴在样品表面反弹的次数可以看出，最多可达3次。BPF-E-SiO2样品明显延长了结冰时间，在30次冰除冰循环后，BPF-E-SiO2样品表面仍具有超疏水性，这表明BPF-E-SiO2样品具有较好的防冰和除冰特性。BPF-E-SiO2试样具有优异的机械耐久性，BPF-E-SiO2样品具有良好的自清洁性能，在酸性和碱性溶剂中浸泡12小时后仍能保持其超疏水性。综上所述，BPF-E-SiO2样品在实际环境中具有良好的应用潜力。https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.134539
相应的成果以“Superhydrophobic surface with good anti-icing properties and high durability”为题发表在Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 上，文章的第一作者和通讯作者均为中国民用航空飞行学院李安玲博士。
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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