技术前沿丨ACS Applied Materials & Interfaces：一种集超疏水、隔热、光电转换功能于一体的被动式防冰涂料

四川大学范浩军ACS Applied Materials & Interfaces：一种集超疏水、隔热、光电转换功能于一体的被动式防冰涂料

引用格式：

Huan Wei, Haihang Luo, Weiwei Fan, Yi Chen, Jun Xiang, and Haojun Fan. A Passive-Active Anti/Deicing Coating Integrating Superhydrophobicity, Thermal Insulation, and Photo/Electrothermal Conversion Effects, ACS Applied Materials & Interfaces Article ASAP,2024.

防冻涂料采用主动和被动相结合的方法，可以利用多种能源达到防冰效果。然而，较差的光热或电热性能和不可避免的热损失往往会降低它们的防冰/除冰效率。本论文以硫化铜负载活性生物炭(AC@CUS)为光电材料，以聚二甲基硅氧烷为疏水成分，以热膨胀微球为发泡剂，成功构建了集隔热、超疏水、光/电热效应于一体的防冰/除冰涂层。得益于超疏水和隔热的协同作用，水滴在涂层表面的冻结时间由150时延长至21时0时S，表现出优异的被动防冰性能。AC@CuS具有光热/电热效应，多孔膨胀微球减少了热损失，使涂层具有良好的光电转换性能。在0.2W/cm²电功率密度(EPD)和0.1W/cm2光功率密度(OPD)条件下，涂层温度分别从24℃提高到96.4℃和113℃。当OPD降低0.05W/cm²，EPD降低0.05W/cm2时，涂层表面的冰可在2.5min内快速融化，表现出协同除冰性能。此外，制备的涂层经过机械损伤、雨水冲击、紫外线照射、化学腐蚀和高温处理后，WCA仍保持在150°以上，良好的超疏水耐久性保证了涂层的抗/除冰耐久性。

图1. EP-ACP防冰/除冰涂料的制备。

图2. (a)AC@CUS制造程序示意图；(b-c)AC的扫描电子显微镜图像；(d)AC@CUS的扫描电子显微镜图像；(e)AC@CUS的EDS谱；(f)X射线衍射图；(g-i)XPS谱；(j)傅立叶变换红外光谱；以及(k)AC和AC@CUS的拉曼谱。

图3. (a)结构图，(b-c)扫描电子显微镜图像，(b)EP-ACP涂层的能谱。(e)涂层的水接触角和(f-h)EP-ACP涂层的横截面形态。

图4. (a)冻结过程和(b)涂层表面水滴的冻结时间。(c)不同涂层的传热过程示意图。(d)EP-ACP涂层冻结时间与其他工程的比较。(e)冰附着强度测量装置，和(g)涂层的冰附着强度。(g)在30次结冰？除冰循环期间，EP-ACP的冰粘附力的变化。

图5. (a)EP-ACP随不同EPD的温度变化曲线；(b)温度随EPDs变化曲线；(c)0.10 W/cm2长期加热试验；(d) 0.20 W/cm² EPD下涂层的时间-温度曲线和(e)升温速率曲线；(f-g)不同EPD下涂层的除冰性能；(h)冰在0.20 W/cm²的EPD下容易从EP-ACP上滑动；(i)界面模型。

图6. 液滴对(a)未电热EP-ACP、(b)ACP和(c)电热EP-ACP的冲击行为。(d？f)影响水滴在涂层上行为的界面模型。

图7. (a)不同涂层的吸收光谱；(b)0.1 W/cm² OPD下不同涂层的温度曲线；(c)不同opd下EP-ACP的温度变化曲线和(d)红外相机图像；(e)以0.05 W/cm2的OPD长期加热EP-ACP；(f)加热-冷却循环实验下EP-ACP的温度变化曲线；(g)0.05 W/cm² EPD和0.05 W/cm² OPD作用下EP-ACP的温度变化；(h)除冰试验期间EP-ACP表面冰的照片。

图8. 接触角和滑动角随(a)砂纸磨损、(b)胶带剥落、(c)雨水冲击、(d)紫外线照射、(e)化学腐蚀和(f)高温处理的变化。

总结与展望

综上所述，本文成功构建了一种具有超疏水、隔热、光/电热效应的被动-主动防除冰涂层，该涂层由掺杂AC@CuS光/电材料、TEM发泡剂和PDMS疏水组分组成。AC@CuS微纳米粒子和低表面能PDMS使涂层具有优异的超疏水性(WCA = 158.6°，WSA = 4.2°)。所制备的涂层具有良好的被动防冰效果，涂层表面水滴的冻结时间可由150 s延长至2140 s。电热防冰/除冰实验表明，发泡改善了涂层的隔热性能，可减少53%的静态除冰时间和33%的动态防冰功耗。此外，该涂层具有优异的光热和电热转换性能，在0.2 W/cm² EPD和0.1 W/cm² OPD条件下，涂层温度分别可达到96.4和113.1℃。最重要的是，保温与光热、电热转换的协同作用可以大大提高除冰效率;即使使用较弱的OPD (0.05 W/cm²)和较低的EPD (0.05 W/cm²)，涂层的表面温度也从- 15℃提高到52.1℃，除冰时间缩短到2.5 min。与单独电热效应相比，表面温度提高了3.5倍，除冰时间缩短了81%。此外，机械损伤、雨水冲击、紫外线照射、化学腐蚀和高温处理对涂层的超疏水性影响不大，证实了涂层的抗/除冰耐久性。

原文链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.4c08289

相应的成果以“A Passive-Active Anti/Deicing Coating Integrating Superhydrophobicity, Thermal Insulation, and Photo/Electrothermal Conversion Effects”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，文章的通讯作者为四川大学范浩军教授。

来源：超疏水防冰表面研究站