鋁表面超疏水涂層的疏冰性研究

在低溫條件下，室外設備的凍結已經成為一個嚴重的問題。特別是電路線、道路、飛機機翼、風力渦輪機等基礎設施部件結冰對經濟和生命安全造成了嚴重影響。

鋁(Al)及其合金具有重量輕、穩定性好、韌性高等優點，廣泛應用于各個工業領域。然而，酸雨會腐蝕金屬基底，冰雨會對鋁結構造成嚴重的冰積。疏冰性被認為是通過保持基底表面盡可能無水和降低冰晶與基底之間的粘附力來延緩或減少冰在表面的積累。超疏水(SHP)表面由于其拒水和自清潔特性而具有疏冰性。

Tan等通過水熱反應在Al表面形成機械堅固的微納結構，然后用十六烷基三甲氧基硅烷修飾形成SHP表面。其中水接觸角(WCA)和滑動角(SA)采用光學接觸角儀進行測量，水滴為10µL。該SHP表面在酸性和堿性環境中都表現出令人印象深刻的疏水性，并表現出顯著的自清潔和疏冰性能。

圖1. (a)裸鋁、(b)鋁表面微納和(c)十六烷基三甲氧基硅烷改性SiO2微納表面的WCA值。(d)不同酸堿溶液在SHP表面靜置1min后的靜態接觸角。(e)在SHP表面靜置30min后的水滴(紅色1.0，透明7.0，黑色14.0，附有pH試紙)圖片。(f)在不同溶液中浸泡30min后的耐酸堿性測試(左)和靜態WCA(右):水(上)，0.1 M HCl(中)，0.1 M NaOH(下)

涂層的潤濕性主要受兩個因素的影響:表面粗糙度和表面能，潤濕性可以通過靜態WCA可視化。裸鋁(圖1(a))、具有微納米SiO2表面的氧化鋁(圖1(b))和SHP表面(圖1(c))的WCA值分別為87°、134°和158°。WCA值的顯著變化說明了微納結構和十六烷基三甲氧基硅烷對SHP表面的重要性。

同時，SHP表面的SA值小于5°。SHP表面也采用不銹鋼和合金材料(Supplementary Movie 1)。根據Nakajima等人的報道，大的WCA和低的SA預計會導致液滴從表面滾落。

圖1(d)為pH 1.0 ~ 14.0溶液在SHP表面的靜態WCA: WCA在148°~ 158°之間，當pH值接近7.0時，WCA值較大。圖1(e)為SHP表面水滴形狀(體積約60 μL, pH 1.0 ~ 14.0)。30分鐘后形狀沒有變化。這顯示出良好的耐酸性或堿性溶液。圖1(f)進一步說明了SHP涂層的耐酸堿性能。左圖為實驗方法，右圖為水(154°)、0.10 M HCl(142°)、0.10 M NaOH(143°)浸泡30 min后的WCA。這些結果表明，SHP涂層在各種酸性/堿性環境下都具有良好的性能。

圖2. 裸鋁和SHP Al的WCA和SA

在結冰狀態下，進一步測量5次重復實驗的WCA和SA，結果如圖2所示。SHP表面的WCA約為154°，SA小于8°，而裸露Al表面的WCA約為85°，SA大于10°。因此，在SHP鋁表面獲得了良好的疏冰性。

參考文獻：

[1] Tan, X., Wang, M., Tu, Y., Xiao, T., Alzuabi, S., Xiang, P., Chen, X., Icephobicity studies of superhydrophobic coating on aluminium[J]. Surface Engineering, 2020, 37(10), 1239–1245.