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兰州化物所硅基超疏液涂层应用基础研究取得新进展

  仿生超疏液涂层具有液滴接触角高(>150°)、滚动角低(<10°)等特点,液滴易从表面滚落。其研究始于1907年(Ann Chim Phys 1907, 10, 229-288; Ann Chim Phys 1907, 10, 289-321),2000年左右重新引起科研界和工业界关注。近20多年来,仿生超疏液涂层研究取得了长足发展,在自清洁表面、油水分离、防腐、防结冰、微流体等领域具有广阔应用前景,近年来呈交叉发展态势。然而,大多超疏液涂层研究仍停留在实验室阶段,难以走向工程化应用。主要原因是仿生超疏液涂层机械稳定性、耐候性差,动态超疏液性能不佳,导致涂层寿命较短;制备方法复杂、成本高,难以实现量产;研究缺乏目标导向等。

  金沙js6666环境材料与生态化学研发中心硅基功能材料组长期从事超疏液涂层研究。该课题组以硅酸盐黏土和有机硅化学为基础,构建了一系列性能优异的超疏液功能材料,包括涂层、3D多孔材料、微纳米粒子等。已发表论文100余篇(其中,封面文章13篇),获系列中国发明专利授权。主要突破了超疏液涂层的关键共性问题,解决了实际应用中的科学问题,实现了工程化应用,如5G天线罩/雷达罩防雨衰、高压输电线路防结冰、电子产品防水防油膜等;与能源、通信等领域交叉,培育新方向,探索了超疏液表面在锂电池隔膜(Adv Energy Mater 2018, 8, 1801778; Energy Storage Mater 2021, 37, 13...)、太阳能界面蒸发材料(Nano Energy 2021, 81, 1056...)等领域的应用。

  近日,该课题组报道了一种可大面积制备的稳定超双疏涂层,并将其应用于高压输电线路铁塔防结冰。研究人员将F-SiO2纳米粒子/粘结剂复合材料相分离,构建了三级微/微/纳分级结构,涂层展现出优异的静态、动态超双疏性及防结冰性能(图1)。通过自相似结构、微骨架保护作用及粘结剂的协同作用,涂层呈现出优异的机械稳定性。更重要的是,实现了F-SiO2纳米粒子/粘结剂复合材料的量产和超双疏涂层的大面积制备(图2),并应用于中国长江安徽段1000 kV高压输电线路铁塔防结冰(图3),展现出较好的防结冰性能。该涂层受到了安徽电网、江西电网等多家公司关注,目前正在进行规模化推广应用。

1.相分离法制备稳定超双疏涂层的示意图

2.稳定超双疏涂层储备液的规模化制备

3.稳定超双疏涂层的防结冰性能及工程化应用

  上述研究以“Scalable Robust Superamphiphobic Coatings Enabled by Self-Similar Structure, Protective Micro-Skeleton, and Adhesive for Practical Anti-Icing of High-Voltage Transmission Tower”为题发表在Advanced Functional Materials)上。兰州理工大学联培博士生魏晋飞为论文第一作者,兰州化物所张俊平研究员为通讯作者。

  该工作得到了国家自然科学基金、甘肃省科技重大专项、兰州化物所“十四五”规划、兰州化物所和山东鑫纳超疏共建的纳米自洁材料联合实验室等的支持。

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