结冰会对各种工业设施，包括航空、电力、通信和地面运输等领域造成负面影响，进而导致严重的安全问题和巨大的经济损失。为此，研究人员开发了多种主动、被动和主被动结合的防/除冰方案。在这些方法中，用于防/除冰的超疏水表面的制备因其制备简单、成本低廉而备受研究关注。然而，其表面的微纳米结构容易损坏，并且由于结冰后的机械联锁效应，导致表面除冰性能并不突出，从而限制了其实际应用。
近日，清华大学李津津课题组基于简单的工艺制备了一种AF_G涂层，通过氟化树脂和嵌入式石墨烯纳米片的协同作用，增强了粗糙基板的防冰/除冰性能。与镜面铝板相比，所制备涂层的冰粘附强度降低了约97.0%，在无光条件下结冰时间延迟了26.6倍，在环境温度为−15 °C的“1个太阳”条件下结冰时间延迟了46.3倍。此外，讨论并揭示了氟化树脂和嵌入的石墨烯纳米片在“非超疏水”状态下的协同防/除冰机制，从而证明了该涂层优异的防/除冰性能。这项工作提供了一种具有优异防冰/除冰性能涂层的简便制备方法，可促进大规模工程应用。
图1、AF_G涂层的制备过程示意图。该图概述了创建复合涂层的两步程序，包括基材的喷砂和随后的涂层旋涂固化。
图2、复合涂层的组成和元素表征。a) AF1601 树脂的傅立叶变换红外光谱，其中绿色区域表示成分的分子式。b) AF 涂层的 XPS C1s 光谱。c) AF_G 涂层的 XPS C1s 光谱，红色边框表示化学键的变化。d) 原始石墨烯、AF 涂层和 AF_G 涂层的拉曼光谱，其中绿色区域表示 AF1601 树脂的特征拉曼峰，红色区域表示为面分布选择的拉曼偏移区域，代表石墨烯的特征 G 峰。e) 用于表征拉曼面分布的选定区域。f) 拉曼表面分布特征的云图，红色越深代表石墨烯的 G 峰越明显。
图3、AF_G涂层的SEM图像和光学照片。a) AF_G 涂层的横截面 SEM 图像（厚度为 29 微米）。b-c) AF_G 涂层表面的倾斜视图 SEM 图像（旋转角度为 30°）。d）嵌入状态石墨烯的光学照片。e-f）嵌入态石墨烯的特征 SEM 图像。
图4、涂层的防冰附着性能比较。a) 两种涂层体系的冰附着强度比较。b) 石墨烯纳米片在封装和嵌入状态下的形成示意图。c) 喷砂铝板基底的粗糙度对 AF_G 涂层冰附着强度的影响。d) 掺杂石墨烯纳米片的浓度对涂层静态水接触角的影响。e) 涂层的防结冰性能与掺杂石墨烯纳米片浓度的函数关系。f) 不同二维材料掺杂涂层的防冰附着性能比较。
图5、涂层的光热效应和延迟结冰性能。a-b) AF_G 涂层在不同冷却温度下的光热效应。(c) 底层温度为 −15°C 时涂层的结冰延迟性能比较。(d) 底层温度设定为−15°C 时，涂层在1个太阳光照下的结冰延迟时间比较。
图6、AF_G涂层的耐磨性和坚固性能探究。a)不同涂层在 10N载荷下的COF。b)表面磨损区域的宽度和深度。c) 涂层磨损率的比较。d) 涂层在不同载荷下的 COF 值。
图7、AF_G涂层防冰/除冰机制的示意图。
AF_G 涂层良好的防/除冰性能主要归功于 AF1601 树脂的低表面能特性、喷砂铝板的粗糙结构、嵌入式纳米石墨烯裸边含氧官能团与水分子之间的氢键竞争效应以及 AF_G 涂层中嵌入式石墨烯卓越的光热效应之间的协同作用。
本研究得到国家重点研发计划（2020YFA0711003）、国家自然科学基金（52175174）和中国博士后科学基金（2022M721791）的资助，谨此感谢。
论文信息：
Enhanced Anti/De-Icing Performance on Rough Surfaces Based on The Synergistic Effect of Fluorinated Resin and Embedded Graphene
Rui Zhang, Zhengmao Ding, Kaiqiang Wang, Hanli Zhang, Jinjin Li*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202301262
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