江华阳等：低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 1417 针对液体SLIPs耐久性较差问题，Wang等B 受滑冰运动启发，Chen等B通过在涂层中加 用液体石蜡使聚二甲基硅氧烷材料溶胀，得到具 入亲水性物质多巴胺(Dopamine,DA)和透明质酸 有良好耐久性的除冰表面.该表面存在的固态石 (Hyaluronic acid,HA)使表面形成水膜，所得到的最 蜡薄层在降低了冰的粘附强度的同时，也使表面 低冰粘附强度为61kPa.但是，当温度低于-25℃ 具有一定的耐水滴冲击性能，延长了涂层的使用 时，水膜的相变会导致冰粘附强度急剧增加对 寿命.在-30℃下，该有机凝胶表面上的冰粘附强 此，Wang等B6制备液层发生器(LLG),如图5(a) 度低至1.7±1.2kPa 所示，解决了自润滑表面的低温应用问题.存贮在 1.2.2自润滑表面 硅橡胶基体中(LLGI)或硅橡胶基体下方(LLG2) SLIPs在长期使用过程中，液态或固态润滑剂 的乙醇被缓慢释放到冰-固界面，形成含有乙醇的 由于分子扩散不断损耗，限制了SLIPs的使用寿 水层，该释放过程可持续593d.在-18℃和-60℃ 命如果表面能够自行生成润滑液，理论上可以 时，表面的冰粘附强度分别为1.0~4.6kPa和 极大延长润滑表面的使用寿命 22.1-25.2kPa 。Water molecule 战。 LLG 1:Packing ethanol inside substrate LLG 2:Storing ethanol below substrate (b) Non-ice-like (c) structure Bulk water/Ice Inhibiting Ice nucleation Lubricating layer Ice sliding Low mobility Preventing ice propagation Interfacial water Lubricating Substrate Hydrogel layer Reducing ice adhesion 图5自润滑除冰表面的设计策略.()LLG的制备示意图6：(b)多功能防冰水凝胶表面具备的三种防除冰手段：(c)离子扩散产生润滑层的示 意图剧] Fig5 Design strategy of the self-lubricating de-icing surface:(a)schematic diagram of the preparation of ice-repellent LLG)(b)three ways to prevent and eliminate iceon the surface of multifunctional anti-icing hydroge (c)schematic diagram of a lubricant layer produced by ion diffusion 自润滑涂层依靠亲水性物质形成水膜润滑， 有望得到低冰粘附水凝胶涂层，但水凝胶的耐候 因而缺乏一定的防冰性能.He等7通过在亲水性 性、抗机械损伤等性能有待进一步提高 聚合物网络上接枝不同长度的聚二甲基硅氧烷 1.3界面滑动表面 (Polydimethylsiloxane,PDMS)链以调节界面水量， 界面滑动表面是指由低弹性模量、低表面能 并引入全氟辛酸(Perfluorooctanoic acid,PFO)抗衡 的聚合物构成的均匀表面.冰在界面滑动表面上 离子抑制冰的形核（图5(b)),使该水凝胶兼具防/ 的分离过程并不同时发生.如图6所示，界面滑动 除冰特性.在低温下冰粘附强度低至20kPa,同时 表面的冰在切向力作用下发生动态黏滑运动导致 在-28℃下仍可延迟结冰4800s.Li等B网将盐水 脱粘，在界面处形成气腔，空气腔传播导致黏滑运 (如海水)注入水凝胶基质中得到电解质水凝胶 动，降低冰粘附强度0此类表面的冰粘附强度 (EH)表面（图5(c)).EH表面兼具低温下的防冰 tic可通过公式(1)进行预估： 和除冰性能，同时该工艺进一步降低水凝胶自润 Wadhj (1) 滑表面的制造成本，更具实际应用价值.但水凝胶 Tice 表面涂层化的问题限制了水凝胶表面的实际应 其中，Wa是冰与材料之间的粘附强度功，是材料 用，Yao等对水凝胶涂层化进行深入研究，证实 的剪切模量，是薄膜的厚度.由公式得知，通过使针对液体 SLIPs 耐久性较差问题，Wang 等[32] 用液体石蜡使聚二甲基硅氧烷材料溶胀，得到具 有良好耐久性的除冰表面. 该表面存在的固态石 蜡薄层在降低了冰的粘附强度的同时，也使表面 具有一定的耐水滴冲击性能，延长了涂层的使用 寿命. 在−30 ℃ 下，该有机凝胶表面上的冰粘附强 度低至 1.7±1.2 kPa. 1.2.2    自润滑表面 SLIPs 在长期使用过程中，液态或固态润滑剂 由于分子扩散不断损耗，限制了 SLIPs 的使用寿 命[33] . 如果表面能够自行生成润滑液，理论上可以 极大延长润滑表面的使用寿命. 受滑冰运动启发，Chen 等[34] 通过在涂层中加 入亲水性物质多巴胺 (Dopamine，DA) 和透明质酸 (Hyaluronic acid，HA) 使表面形成水膜，所得到的最 低冰粘附强度为 61 kPa. 但是，当温度低于−25 ℃ 时，水膜的相变会导致冰粘附强度急剧增加[35] . 对 此 ，Wang 等[36] 制备液层发生器 (LLG)，如图 5（a） 所示，解决了自润滑表面的低温应用问题. 存贮在 硅橡胶基体中 (LLG1) 或硅橡胶基体下方 (LLG2) 的乙醇被缓慢释放到冰−固界面，形成含有乙醇的 水层，该释放过程可持续 593 d. 在−18 ℃ 和−60 ℃ 时 ， 表 面 的 冰 粘 附 强 度 分 别 为 1.0～ 4.6  kPa 和 22.1～25.2 kPa. Interfacial water Non-ice-like structure Bulk water/Ice Hydrogel Low mobility Lubricating layer Lubricating layer Ice sliding Substrate Inhibiting ice nucleation Preventing ice propagation Reducing ice adhesion Water molecule (a) (b) (c) Ethanol molecule LLG 1: Packing ethanol inside substrate LLG 2: Storing ethanol below substrate 图 5    自润滑除冰表面的设计策略. （a）LLG 的制备示意图[36] ；（b）多功能防冰水凝胶表面具备的三种防除冰手段[37] ；（c）离子扩散产生润滑层的示 意图[38] Fig.5    Design strategy of the self-lubricating de-icing surface: (a) schematic diagram of the preparation of ice-repellent LLG[36] ; (b) three ways to prevent and eliminate ice on the surface of multifunctional anti-icing hydrogel[37] ; (c) schematic diagram of a lubricant layer produced by ion diffusion[38] 自润滑涂层依靠亲水性物质形成水膜润滑， 因而缺乏一定的防冰性能. He 等[37] 通过在亲水性 聚合物网络上接枝不同长度的聚二甲基硅氧烷 （Polydimethylsiloxane，PDMS）链以调节界面水量， 并引入全氟辛酸（Perfluorooctanoic acid, PFO）抗衡 离子抑制冰的形核 (图 5（b）），使该水凝胶兼具防/ 除冰特性. 在低温下冰粘附强度低至 20 kPa，同时 在−28 ℃ 下仍可延迟结冰 4800 s. Li 等[38] 将盐水 （如海水）注入水凝胶基质中得到电解质水凝胶 (EH) 表面（图 5（c））. EH 表面兼具低温下的防冰 和除冰性能，同时该工艺进一步降低水凝胶自润 滑表面的制造成本，更具实际应用价值. 但水凝胶 表面涂层化的问题限制了水凝胶表面的实际应 用，Yao 等[39] 对水凝胶涂层化进行深入研究，证实 有望得到低冰粘附水凝胶涂层，但水凝胶的耐候 性、抗机械损伤等性能有待进一步提高. 1.3    界面滑动表面 τice 界面滑动表面是指由低弹性模量、低表面能 的聚合物构成的均匀表面. 冰在界面滑动表面上 的分离过程并不同时发生. 如图 6 所示，界面滑动 表面的冰在切向力作用下发生动态黏滑运动导致 脱粘，在界面处形成气腔，空气腔传播导致黏滑运 动，降低冰粘附强度[40] . 此类表面的冰粘附强度 可通过公式（1）进行预估： τice ∝ √ Wadhµ t （1） Wadh µ t 其中， 是冰与材料之间的粘附强度功， 是材料 的剪切模量， 是薄膜的厚度. 由公式得知，通过使 江华阳等： 低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 · 1417 ·