宁波大学叶羽敏教授Chemical Engineering Journal：具有定制聚合物纳米阵列结构的透明超疏水防冰涂层的化学气相沉积
引用格式：
Xiaocheng H, Min S, Xiao S, et al. Chemical vapor deposition of transparent superhydrophobic anti-Icing coatings with tailored polymer nanoarray architecture[J]. Chemical Engineering Journal,2023,454.
透明超疏水涂层因其抗湿、自清洁和防冰能力在室外光电器件中非常理想。超疏水性要求表面微观结构能够容纳液固界面之间的被困空气，然而，这将损害涂层的透明度。这种权衡可以通过在低表面能涂层上创建定制的微形貌来平衡，这通常是通过相当复杂的多步骤程序来实现的。在此，我们展示了一种简单的一步方法，通过引发化学气相沉积(iCVD)创建具有定制纳米锥体阵列结构的透明 超疏水涂层。这种新型的iCVD工艺采用浓缩的纳米级单体液滴作为成核中心，随后生长出垂直排列的聚合物纳米锥体。通过调整沉积条件，可以很好地控制纳米锥的高度和密度。所得聚合物纳米锥体阵列涂层(NC)比表面微结构不规则的iCVD粗糙涂层(RC)具有更好的拒水性和防冰性能以及更高的透光率。优化后的纳米锥阵列涂层的结冰延迟时间达到了540 s，分别是原始玻璃和RC涂层玻璃的38. 5倍和2.2倍。进一步的测试表明，该NC涂层具有良好的自清洁性、优异的耐久性和稳定性，表明其在户外光电器件保护方面的潜力。
图1. a)聚合物纳米锥阵列涂层的生长过程的示意图；b)平坦涂层、c)不规则粗糙涂层和d)通过iCVD制造的纳米锥阵列涂层表面的SEM图像；e)平面涂层、f)粗糙涂层和g)纳米锥阵列涂层的XPS C 1 s高分辨率光谱。
图2. a) NC-1、b) NC-3和c) NC-5样品的横截面图、斜视图和俯视图SEM图像。
图3. a)原始玻璃、FC涂层、RC涂层和NC涂层载玻片的WCA和WSAb水滴在NC-3上的非粘附行为的照片样本；c)水射流从NC-3表面反弹；d)NC-3表面对各种液体的排斥性，包括水、酸、碱、牛奶、可乐和酱油；e)在可见光范围内原始的和有涂层的载玻片的透射率；插图显示了涂有NC-3的样品的视觉透明度；f)原始照片和在打印纸上的涂层载玻片。
图4. a)原始和涂层玻璃样品的结冰延迟时间；b)水滴在原始的、FC涂层的、RC涂层的和NC-3涂层的玻璃表面上冻结过程的照片；c)原始玻璃和涂有NC-3的玻璃表面上的磨砂工艺。
图5. a)水滴撞击试验的示意图；b)水滴冲击循环对NC-3样品的WCA和WSA的影响；c)砂冲击试验的示意图；d)砂粒冲击对NC-3样品的WCA和WSA的影响；e)胶带剥离试验的示意图(顶部)和30次胶带剥离循环后涂层的光学图像(底部)；f)NC-3样品在周围环境下储存2年后的拒液性照片。绿色水滴是用绿色颜料水染的；NC-3样品在g) HCl溶液(pH = 1)和h) NaOH溶液(pH = 12)中浸泡12小时后的WCA和WSA和i)在反复冻融试验期间NC-3涂层表面上的结霜时间。
总之，我们通过简单的一步iCVD工艺制备了具有优异防冰性能的透明超疏水聚合物纳米锥阵列涂层。通过调整沉积条件，可以很好地定制纳米锥阵列结构的密度和高度。随着纳米锥阵列密度和高度的增加，涂层的拒水性增强，结冰延迟时间延长，而透光性减弱。采用优化的纳米锥阵列结构(NC-3)制备的涂层在可见光范围内的WCA为151◦，WSA为2◦，平均透光率为94.5%。结果表明，NC-3涂层成功地将结冰时间延迟至540 s，分别是原始玻璃和RC涂层玻璃的38.5倍和2.2倍。定制的纳米锥阵列结构提供了一种“点接触”模式，水滴与表面之间有足够的空气层，减少了液固界面，抑制了热传导。纳米锥体阵列涂层具有优异的自清洁能力和抗水滴和沙子冲击的机械耐久性，以及良好的化学稳定性，在室外环境中具有潜在的实际应用前景。此外，该方法证明了在聚合物纳米材料合成中采用气-液-固模型的可能性，并为透明超疏水涂层的新型无溶剂制造策略提供了思路。
相应的成果以“Chemical vapor deposition of transparent superhydrophobic anti-Icing coatings with tailored polymer nanoarray architecture”为题发表在Chemical Engineering Journal上，论文的通讯作者为宁波大学叶羽敏教授。
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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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