在零下30℃的東北輸電塔上，積冰導(dǎo)致線路斷裂；在盛夏60℃的戶外設(shè)備表面，過熱引發(fā)效率驟降。冰與火的兩極挑戰(zhàn)，一直是工業(yè)界難以兼顧的難題。
近日，來自電子科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Journal of Colloid And Interface Science發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果——具有可切換潤濕性的光捕獲超疏水涂層（PSTM）。這項(xiàng)技術(shù)在同一涂層中實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)防冰、主動(dòng)光熱除冰、以及紫外線驅(qū)動(dòng)親水降溫三大功能的無縫切換。
一、研究背景與挑戰(zhàn)
在航空航天、電力傳輸、風(fēng)電葉片等領(lǐng)域，表面結(jié)冰和高溫過熱是兩大難以兼治的“天敵"。傳統(tǒng)防冰涂層要么依賴能耗，要么在高溫環(huán)境下失效甚至加劇過熱。如何在同一涂層上實(shí)現(xiàn)低溫防冰/除冰與高溫防過熱的雙重功能，是材料表面工程領(lǐng)域的核心難題。
二、技術(shù)突破：可切換潤濕性的光熱超疏水涂層
該研究團(tuán)隊(duì)成功制備了一種無氟、光捕獲、超疏水、潤濕性可切換的多功能涂層（PSTM），其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：接觸角（CA）：161.5°；滑動(dòng)角（SA）：7.7°；凍結(jié)延遲時(shí)間：2248 s（-10℃），為裸鋁板的 19倍；光熱除冰時(shí)間：283 s（1 sun）； 潤濕性切換：UV照射30 min，CA從161.5°降至45.1°，恢復(fù)后可逆循環(huán)10次以上；高溫冷卻效果：親水態(tài)下表面溫度降低53.8℃圖1. PSTM 功能演示圖
三、接觸角測量儀的核心應(yīng)用場景
在整個(gè)研究過程中，接觸角測量儀不僅是表征工具，更是性能驗(yàn)證與機(jī)制揭示的核心手段。以下為四大關(guān)鍵應(yīng)用場景：
1. 超疏水性能的定量表征與優(yōu)化
被動(dòng)防冰——19倍延遲結(jié)冰
雙尺寸TiO?（30nm+60nm）構(gòu)建“土壤堆疊"式微納粗糙結(jié)構(gòu)，MWCNTs像“樹根"穿插其中，形成大量空氣囊，阻隔熱傳導(dǎo)。PSTM涂層的接觸角（161.5°）和滑動(dòng)角（7.7°），是判斷其超疏水性的直接證據(jù)（圖2）。同時(shí)，研究了S-TiO?質(zhì)量比和MWCNTs含量對CA的影響，明確了1:1雙尺寸S-TiO? + 0.5 g MWCNTs為優(yōu)秀配方（圖2）。圖2. PSTM 的CA（接觸角）和SA（滾動(dòng)角）圖像以及S-TiO2質(zhì)量比差異對（a）PSTM 表面CA值及（b）抗結(jié)冰性能的影響。
2. 潤濕性可切換行為的動(dòng)態(tài)監(jiān)測
圖3展示了UV照射30 min內(nèi)，接觸角從161.5°降至45.1°的連續(xù)變化曲線，每5分鐘記錄一次，精確捕捉潤濕性轉(zhuǎn)變速率。通過進(jìn)一步結(jié)合表面能計(jì)算，驗(yàn)證了潤濕性切換伴隨表面能從0.94 → 42.94 → 9.86 mN/m的變化。圖3. PSTM 的可切換潤濕性與親水性冷卻性能。(a) PSTM 表面比表面積與30分鐘內(nèi)紫外線照射時(shí)間的關(guān)系。(b) 濕潤循環(huán)過程中 PSTM 表面能的變化。
3.耐久性評估中的穩(wěn)定性監(jiān)控
PSTM在9種惡劣環(huán)境測試后的CA變化（圖中A-I分別代表砂紙磨損、細(xì)沙沖擊、自清潔、水沖擊、水浸、鹽霧腐蝕、紫外線老化、循環(huán)防冰/除冰及低溫高濕測試），所有樣品CA仍 > 150°，驗(yàn)證其超疏水耐久性。圖4. PSTM 的耐久性評估中
四、為什么接觸角測量儀是此類研究的“剛需工具"？
應(yīng)用場景 | 儀器功能 | 研究價(jià)值 |
超疏水表征 | 靜態(tài)CA/SA測量 | 快速判斷涂層制備效果 |
配方優(yōu)化 | 多組樣品對比測試 | 指導(dǎo)材料配比與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) |
潤濕性切換 | 動(dòng)態(tài)CA監(jiān)測 | 驗(yàn)證光響應(yīng)可逆潤濕行為 |
低溫抗冰 | 高速成像 | 可視化水滴彈跳與凍結(jié)過程 |
耐久性評估 | 多點(diǎn)測試 + 環(huán)境模擬 | 量化涂層穩(wěn)定性與使用壽命 |
五、結(jié)語
該研究充分展示了接觸角測量儀在智能功能涂層研發(fā)中的不可替代性。從基礎(chǔ)潤濕性表征，到復(fù)雜環(huán)境下的動(dòng)態(tài)行為分析，再到可逆潤濕切換的機(jī)制驗(yàn)證，接觸角數(shù)據(jù)貫穿始終，是連接“結(jié)構(gòu)—性能—機(jī)制"的關(guān)鍵橋梁。“冰雪聰明，冷暖自知"——這不再是形容人的詞，而是下一代功能涂層的真實(shí)寫照。PSTM涂層的誕生，標(biāo)志著防冰材料從“被動(dòng)耐受"走向“主動(dòng)響應(yīng)"。它不再是一個(gè)靜態(tài)的保護(hù)層，而是一個(gè)能感知環(huán)境、切換狀態(tài)、兼顧矛盾的智能皮膚。
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由貝拓科學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的光學(xué)接觸角測量儀，內(nèi)置五種分析算法，涵蓋全角度范圍測量，其中YoungLaplace擬合方法為貝拓針對120°以上角度具有更為精準(zhǔn)的測分析方法，尤其在150°甚至160°以上角度擬合效果更佳。
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