引言：在汽车窗户、节能建筑玻璃和精密光学器件等领域，温度和湿度的动态波动常导致灰尘颗粒、冷凝液滴、雾滴和冰晶等污染物积累，显著降低光学透光率，限制了其工程应用 ^[1-3]。为解决这一问题，仿生超疏水界面材料应运而生。这些材料通过构建特殊润湿性能的功能涂层，在污染物去除、防雾和防冰方面实现了协同效应 ^[4,5]。
然而，现有制备超疏水涂层的方法，如化学气相沉积、溶胶-凝胶法等，存在表面形貌不均匀、可控性不足等问题，导致光散射增加、透光率降低，且难以实现耐久性和光学性能的协同优化。静电纺丝技术因其独特优势，在调控微纳结构方面展现出巨大潜力，可通过调整纺丝参数精确控制纤维直径、膜厚度等，为超疏水性能和高透光率的协同优化提供了新途径 ^[6,7]。 聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物因低表面能、优异的可纺性等特性成为功能涂层研究焦点 ^[8]，但其在玻璃基板上的应用受限于晶相和非晶相共存导致的光散射问题。虽有研究通过引入含氟POSS等进行改性，但存在耐磨性下降或需牺牲疏水性能等问题 。因此，实现超疏水性、高透光率和强机械耐久性的协同优化，对于拓展PVDF基透明超疏水涂层的应用至关重要。

近日，中国科学院福建省物质结构研究所所吴立新研究员团队在《Progress in Organic Coatings》期刊发布了题为“Robust, transparent, and superhydrophobic PVDF-TrFE/PDMS nanofiber coatings for anti-fogging and anti-icing”（一种坚固、透明和超疏水的 PVDF-TrFE/PDMS 纳米纤维涂层，用于防雾和防结冰）的最新研究成果。该团队通过构建TMS-s/PDMS界面增强层，成功开发出一种坚固、透明且超疏水的防雾防冰涂层。这一成果为多功能防护涂层领域提供了新策略，为建筑窗户、太阳能电池板、汽车挡风玻璃和飞机窗户等应用提供了高性能的涂层解决方案。

静电纺丝构建TMS-s/PDMS界面增强涂层

受天然超疏水表面普遍概念的启发，本研究提出了一种新型多层涂层系统。通过构建硅烷化三甲基氯硅烷（TMS-s）/ 聚二甲基硅氧烷（PDMS）界面增强层，在玻璃基板上实现了强界面结合和光传输调控。该涂层系统通过静电纺丝技术将聚偏二氟乙烯 - 三氟乙烯（PVDF-TrFE）和 PDMS 共混纳米纤维集成到 TMS-s/PDMS 界面增强层（约 50μm 厚）上。在静电纺丝过程中，PDMS 链段使共混物在 PVDF-TrFE 基体链段中增溶，从而形成坚固的薄纳米纤维。这些纳米纤维通过化学键锚定在预固化的 PDMS（TMS-s/PDMS 增强层）上，成功实现了玻璃基板上功能涂层的梯度结构设计，并显著增强了界面结合强度和抗剪切性。

图2：TESH纳米纤维的形貌及AFM形貌图 a.PVDF-TrFE和不同PDMS含量的PVDF-TrFE/PDMS共混纳米纤维的表面形貌 b.不同PDMS含量的PVDF-TrFE/PDMS共混纳米纤维的直径分布 c.TESH涂层的3D AFM形貌图 

涂层优异的坚固、透明且超疏水性能

实验结果表明，引入低表面能 PDMS 组分可使接触角提高至 154.1°+4°，滑动角低至 3±1°，实现了超疏水特性。通过优化共混比，纳米纤维的平均直径减小到 200nm 以下，有效降低了可见光散射。TMS-s/PDMS 增强层通过缩小孔径分布和降低孔连通性，将可见光透光率提高至 92.6%，这表明涂层有效抑制了光散射。

密集堆积的纳米结构通过构建直径约 100 nm 的 PVDF-TrFE/PDMS 纤维网络，形成具有梯度孔隙分布的表面形貌，这种结构一方面通过缩小孔径至亚微米级，有效阻止灰尘颗粒等污染物的嵌入与滞留；另一方面，其超疏水特性使液滴在表面呈球形滚落，实现自清洁除尘效果。在防雾与防冰性能上，纳米结构中的空气腔效应形成热绝缘层，将雾滴成核的临界湿度阈值提高，同时通过减少固液接触面积，使结冰延迟时间延长至 15 分钟以上，较未涂层玻璃提升 50 倍以上。

而涂层的机械坚固性则通过界面增强层实现，结果表明，TMS-s 的引入增加了界面附着力，这归因于 TMS-s 与玻璃表面之间形成的强硅氧烷键，以及 TMS-s 与 PDMS 之间的 Si-O-C 键。这种相互作用的结合显著提高了涂层的机械坚固性。使涂层附着力提升 5.5 倍（从 0.13 MPa 增至 0.72 MPa），并能耐受砂纸磨损 50 次、500 g 落砂冲击等严苛测试。

综上所述，团队成功开发了一种简单且经济高效的方法，用于制备透明、超疏水的 PVDF-TrFE/PDMS 静电纺丝纳米纤维玻璃涂层。该涂层表现出优异的减少起雾、防冰和自清洁性能，可有效去除玻璃表面的污染物。通过优化两种聚合物之间的比例，获得了具有最佳形貌的纳米纤维，其特征是光滑、随机排列的纤维和不同的直径分布。涂层的一个显著特点是其直径约为 100nm 的密集堆积纳米纤维结构，导致界面处的反射最小。这种结构使其在可见光波长下具有约 92.6% 的优异透光率、超过 154.1◦±4◦的高水接触角和约 3±1◦的低滑动角。此外，PVDF-TrFE/PDMS 静电纺丝纳米纤维的固有耐化学性，加上其与玻璃基板上促进层的强附着力，使坚固的超疏水涂层玻璃能够承受各种形式的磨损，如砂纸、落砂、水射流冲击、铅笔硬度、纳米压痕、剥离附着力和浸入强腐蚀性溶液中。这种设计可以应用于各种基板，促进为各种实际应用创建多功能超疏水涂层表面。

文献来源：https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2025.109470
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