表面涂层研究

在低温条件下，室外设备的冻结已经成为一个严重的问题。特别是电路线、道路、飞机机翼、风力涡轮机等基础设施部件结冰对经济和生命安全造成了严重影响。铝(Al)及其合金具有重量轻、稳定性好、韧性高等优点，广泛应用于各个工业领域。然而，酸雨会腐蚀金属基底，冰雨会对铝结构造成严重的冰积。疏冰性被认为是通过保持基底表面尽可能无水和降低冰晶与基底之间的粘附力来延缓或减少冰在表面的积累。超疏水(SHP)表面由于其拒水和自清洁特性而具有疏冰性。Tan等通过水热反应在Al表面形成机械坚固的微纳结构，然后用十六烷基三甲氧基硅烷修饰形成SHP表面。其中水接触角(WCA)和滑动角(SA)采用光学接触角仪进行测量，水滴为10µ L。该SHP表面在酸性和碱性环境中都表现出令人印象深刻的疏水性，并表现出显著的自清洁和疏冰性能。图1. (a)裸铝、(b)铝表面微纳和(c)十六烷基三甲氧基硅烷改性SiO2微纳表面的WCA值。(d)不同酸碱溶液在SHP表面静置1min后的静态接触角。(e)在SHP表面静置30min后的水滴(红色1.0，透明7.0，黑色14.0，附有pH试纸)图片。(f)在不同溶液中浸泡30min后的耐酸碱性测试(左)和静态WCA(右):水(上)，0.1 M HCl(中)，0.1 M NaOH(下)涂层的润湿性主要受两个因素的影响:表面粗糙度和表面能，润湿性可以通过静态WCA可视化。裸铝(图1(a))、具有微纳米SiO2表面的氧化铝(图1(b))和SHP表面(图1(c))的WCA值分别为87°、134°和158°。WCA值的显著变化说明了微纳结构和十六烷基三甲氧基硅烷对SHP表面的重要性。同时，SHP表面的SA值小于5°。SHP表面也采用不锈钢和合金材料(Supplementary Movie 1)。根据Nakajima等人的报道，大的WCA和低的SA预计会导致液滴从表面滚落。图1(d)为pH 1.0 ~ 14.0溶液在SHP表面的静态WCA: WCA在148°~ 158°之间，当pH值接近7.0时，WCA值较大。图1(e)为SHP表面水滴形状(体积约60 μL, pH 1.0 ~ 14.0)。30分钟后形状没有变化。这显示出良好的耐酸性或碱性溶液。图1(f)进一步说明了SHP涂层的耐酸碱性能。左图为实验方法，右图为水(154°)、0.10 M HCl(142°)、0.10 M NaOH(143°)浸泡30 min后的WCA。这些结果表明，SHP涂层在各种酸性/碱性环境下都具有良好的性能。图2. 裸铝和SHP Al的WCA和SA在结冰状态下，进一步测量5次重复实验的WCA和SA，结果如图2所示。SHP表面的WCA约为154°，SA小于8°，而裸露Al表面的WCA约为85°，SA大于10°。因此，在SHP铝表面获得了良好的疏冰性。参考文献：[1] Tan, X., Wang, M., Tu, Y., Xiao, T., Alzuabi, S., Xiang, P., Chen, X., Icephobicity studies of superhydrophobic coating on aluminium[J]. Surface Engineering, 2020, 37(10), 1239–1245.

近期，加拿大卫生部发布了一则关于儿童玩具表面涂层含有特定重金属的通知。该通知提醒所有玩具制造商、进口商和零售商，儿童玩具必须经过重金属含量测试，证明完全符合加拿大的法规之后，才可以进入加拿大市场销售。该通知同时公布了上述重金属的法定限量及测试方法。 　　儿童玩具进入加拿大市场需符合加拿大《危险产品法案》及《危险产品(玩具)条例》，该法规规定，如果儿童玩具、装备及供儿童学习玩乐的其它产品的表面涂料中含有总铅、特定可迁移的重金属及汞化合物，则禁止在加拿大宣传、进口或销售。所有制造商、进口商、经销商和零售商均有责任保证，在加拿大宣传、进口或销售的任何玩具(包括二手玩具)都已符合《危险产品法案》中规定的所有适用的安全规定。 　　同时，该通知还特别提到,在产品制造过程中使用的标签和贴花纸也属于表面涂层。由于，在许多情况下(特别是在重金属方面)，加拿大的法规及相关的测试方法不同于美国或欧洲，因此需要相关人员特别注意。检验检疫专家建议，各相关机构及生产出口企业，应制定针对不同市场玩具重金属限量要求及检测方法的生产应对措施，实行“按需生产”，同时积极了解目标市场法规变化，进行有针对性检测，做到有备无患。

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置， 其中以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流。虽然通过掺杂及表面覆盖抗光反射层能提高晶硅太阳能电池的效率，但是超过能带间隙和一些特定波长的光反射造成了巨大的光能量损失，反而限制了晶硅太阳能电池的效率。 Y.H. Wang等利用有机金属三溴纳米粒子（CH3NH3PbBr3）涂层吸收部分短波长太阳光，使其转化成化电场。该化电场可以通过促进分子重排而增强有机-晶硅异质结太阳能电池的不对称性，从而增加表面活性载流子密度，终将有机-晶硅异质结太阳能电池的效率从12.7%提高到了14.3%。 苏州大学Q.L. Bao教授等人在钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为和载流子浓度分布等领域作出了突出贡献。2016年，发表在ACS Nano上的钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为的研究中，作者利用neaspec公司的近场光学显微镜neaSNOM发现：1. 未施加外场电压时， 该微纳米线区域中载流子密度（图1 g. s-SNOM振幅信号）和光折射率（图1 g. s-SNOM相位信号）较均匀；2. 施加外场正电压时，该区域中载流子密度随I-离子（Br?）的迁移而向右移动（图1 h. s-SNOM振幅信号），其光折射率随随MA+离子（CH3NH3+）的迁移而向左移动（图1 g. s-SNOM相位信号）较均匀；3. 施加外场负压时，情况正好与施加正电压时相反（图1 i）。该研究显示弄清无机-有机钙钛矿结构中的离子迁移行为对于了解钙钛矿基的特殊光电行为具有重要意义，进而为无机-有机钙钛矿材料的光电器件应用打下了坚实的基础。图1.SNOM测量钙钛矿结构微纳米线的光电转换的离子迁移行为。 d-f. 离子迁移测量示意图；g-i,相应的s-SNOM光学信号振幅和相位图 2017年， Q.L. Bao教授等人发表在AdvanceMaterials的文章中再次利用neaspec公司的近场光学显微镜neaSNOM，次在实验中研究了太阳能电池表面钙钛矿纳米粒子涂层的载流子密度。结果显示：钙钛矿纳米粒子覆盖区域近场信号强度高于Si/SiO2区域中信号强度（参见下图2 b 图2 a为对应区域的形貌）。另外作者也研究了增加光照的时间的影响（参见下图2 c, d）。其结果显示：近场信号强度随光照时间增加，从12.5 μV (黄色，0 min) 增加到 14.4 μV (红色, 60 min)，该近场信号反映了可移动自由载流子密度的变化。终，红外光neaSNOM研究结果证明：随光照时间增加，太阳能电池表面的钙钛矿纳米粒子涂层富集和捕获了大量的电子。图2. SNOM测量钙钛矿结构纳米粒子涂层的载流子密度。a. AFM形貌图；b, s-SNOM光学信号图-未加光照；c, s-SNOM光学信号图-光照30min；d, s-SNOM光学信号图-光照60min 作者预见，该研究对于设计新型太阳能电池，提高其转化效率具有重要意义。同时，该研究还提出了一种使钙钛矿结构材料和晶硅太阳能电池相结合的研究方法，为之后的研究和应用提供了解决新思路。相关参考文献1.Zhang Y.P. et. al. Reversible StructuralSwell?Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic?OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031?7038.2.Wang Y.H. et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. AdvancedMaterial 2017, First published: 3 March 2017 DOI: 10.1002/adma.201606370.相关产品链接超高分辨散射式近场光学显微镜 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C170040.htm德国Neaspec纳米傅里叶红外光谱仪 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C194218.htm