通過簡便一步噴涂法制備穩健多級熱致變色超疏水涂層

隨著全球氣候變化加劇和城市化進程加快，對環境溫度的實時感知和智能響應的需求日益增長。新興的智能熱致變色涂層技術在溫度指示、安全預警和能效管理等領域展現出巨大潛力。

 

傳統的溫度監測技術依賴外部能源，且通常維護成本高、可視化能力不足。相比之下，熱致變色涂層通過顏色變化直接反映溫度信息，具有被動、直觀和低能耗的優勢。它們在能效管理、溫度監測、防偽技術以及設計與裝飾等領域展現出顯著的應用潛力。

 

在各種熱致變色材料中，熱致變色微膠囊（TCMs）因其原料選擇范圍廣、化學穩定性好、變色溫度可調及成本效益高而備受關注。這些微膠囊通常由有機熱致變色材料組成，包括電子給體（熱致變色染料）、電子受體（顯色劑）和溶劑化合物。給體、受體和溶劑決定了材料的顏色、變色順序以及變色發生的溫度。其變色機制在溶劑達到相變溫度時觸發，導致給體和受體之間發生電子轉移，從而引起顏色變化。

 

熱致變色微膠囊進展

將有機熱致變色材料微膠囊化有助于簡化其應用。最近的研究集中在利用TCMs制備溫度響應材料。例如，有人通過將兩種TCMs與聚乳酸（PLA）熔融共混，開發了一系列可逆熱致變色薄膜，在25–50°C溫度范圍內逐漸從綠色變為黃色最終變為無色；有人利用具有不同溫度響應特性的可逆熱致變色微膠囊創建了一個兩級變色系統，在25°C至35°C之間從紫色變為藍色最終變為無色。

 

盡管熱致變色涂層的應用取得了重大進展，但仍存在一些關鍵限制。包括顏色轉變范圍有限（通常僅限于兩種顏色或褪為無色）、顏色變化與直觀感知邏輯相悖（例如，在高溫下變為無色）、制備工藝復雜以及耐久性不足。這些缺點共同限制了它們在實際環境中的應用。

 

賦予熱致變色涂層超疏水性是提高其耐久性的一種有前景的解決方案。超疏水性不僅增強了這些涂層的耐久性，還提供了額外的優勢，如抗污性、防冰性和自清潔能力，從而提高了它們在各種環境條件下的穩定性。

 

噴涂法制備的新嘗試

曾有研究通過使用改性的氧化鋅晶須和熱致變色微膠囊作為功能顏料，硅樹脂作為粘合劑，以及1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷作為低表面能試劑，采用空氣噴涂沉積法制備了一種熱致變色超疏水涂層。該涂層在24°C至30°C之間表現出高度敏感的可逆熱致變色行為，從灰色變為白色。另有研究以白色硅酸鹽水泥為粘合劑，熱致變色微膠囊和納米SiO?為功能添加劑，聚甲基氫硅氧烷為低表面能試劑，采用刷涂法制備了多種顏色的熱致變色超疏水涂層。

 

熱敏變色與超疏水性能的結合具有顯著優勢。然而，目前大多數制備超疏水涂層的方法仍面臨若干挑戰，包括依賴含氟化學品、制備工藝復雜、成本高以及難以大規模生產，這限制了它們的實際應用和廣泛采用。

 

東北林業大學材料科學與工程學院的研究團隊近期在《Progress in Organic Coatings》上發表了以“Robust multistage thermochromic superhydrophobic coating prepared by a facile one-step spray coating method”為標題的論文。論文提到，受變色龍皮膚熱調節機制啟發，該團隊研究并提出了一種基于環境溫度、具有多級溫度響應和多色轉變的可逆熱致變色超疏水涂層。

 

噴涂法具有操作簡便、成本效益高、適合大面積應用等優點，對于超疏水材料的高效開發和利用非常有利。在環氧樹脂中加入雙固化劑可增強其附著力、耐磨性和防腐性能，從而應對長期使用帶來的挑戰。在此次研究中，團隊將三種熱致變色微膠囊（TCMs）和納米SiO?作為雙尺度顆粒組合，以構建分級微/納米結構表面?；旌项w粒進一步用十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS）改性，DTMS通過硅烷偶聯在界面形成化學橋，從而提高材料與基底之間的界面結合強度。隨后，通過加入環氧樹脂預聚物制備了復合涂層，并通過一步噴涂法將其涂覆在各種基底（包括木材、紙張、海綿、玻璃和鋼材）上。

 

涂層制備過程示意圖。

 

所得涂層在15–35°C溫度范圍內呈現鮮明可逆的三色轉變（綠-黃-紅）。顏色設計基于環境溫度變化，并且與人類對熱顏色的心理感知相一致，充分考慮了人-環境交互，增強了視覺識別和高溫預警能力。

 

涂層在不同溫度下的工作原理示意圖。

 

通過一步噴涂法制備出的該涂層具有微/納米分級結構，且無氟環保。它表現出優異的超疏水性，水接觸角（WCA）超過150°，滑動角（SA）低于3°。值得注意的是，經輕度砂粒磨損后，其WCA可增至160°以上。涂層在砂紙磨損、機械沖擊、化學腐蝕及長期紫外線照射后均保持顯著穩定性，展現出卓越的耐久性。電化學阻抗譜（EIS）進一步驗證了其出色的屏障性能。此外，涂層對多種常見液體（茶、可樂、牛奶、果汁）具有強排斥性，兼具優異的自清潔能力和廣泛的基底適用性。

 

一系列表征技術分析了涂層的微觀結構、化學成分、潤濕性、熱致變色行為、耐久性和電化學耐腐蝕性能。結果表明，當TCMs、納米SiO?、DTMS和環氧樹脂的質量比為30:20:94:105時，涂層性能達到最佳。與先前報道的基于TCMs的熱致變色超疏水涂層相比，由雙尺度顆粒形成的分級微/納米結構提供了更優異的機械魯棒性和環境適應性。三種不同TCMs的組合實現了鮮明、可逆的多色轉變，并擴展了可用顏色范圍。此外，涂層采用無氟、環保且簡便的方法制備。所得涂層在砂紙磨損、機械沖擊、化學腐蝕和長期紫外線照射等各種破壞性條件下表現出優異的耐久性。這些屬性凸顯了該涂層在建筑、裝飾和溫度指示領域巨大的實際應用潛力。這種創新、綠色且堅固的熱致變色超疏水涂層，在智能表面、熱預警系統和多功能防護材料等領域具有廣闊的實際應用前景。