兰州化物所张俊平研究员团队《自然·通讯》：在模拟/真实环境下具有优异防结冰/除冰性能的光热超疏水涂层

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-11-10 07:50

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表面结冰问题对新能源设施（如输电线路、风电叶片等）运行的安全性、可靠性构成了严重威胁，并导致了巨大的经济损失。传统的除冰方法，如机械振动和热处理，通常需要大量的人力和物力，且除冰效率较低。近年来，研究者们逐渐关注被动防结冰策略，这种策略因其高效、低成本的特点而备受青睐。迄今为止，超疏水涂层已成为最具前景的被动防结冰解决方案之一。其卓越性能主要源于高接触角（>150°）和低滚动角（<10°），这有效减少了固体与液体的接触面积，从而延缓冰的形成并降低冰的粘附强度。然而，超疏水涂层只能延缓结冰，无法完全防止结冰。

因此，结合被动防结冰与主动除冰功能的光热超疏水涂层正逐渐成为一种有效的防结冰、除冰材料。尽管光热超疏水防结冰/除冰涂层的研究取得了显著进展，但其实际应用仍面临以下挑战：（1）在低温、高湿度环境下，液滴在涂层表面难以维持稳定的Cassie-Baxter状态，导致防结冰性能急剧下降；（2）大多数光热超疏水涂层在1个太阳数光照强度下表现优异，但在寒冷冬季，这样高强度的太阳光并不常见；（3）涂层稳定性不足也限制了其实际应用。

图1. 光热超疏水防结冰/除冰涂层的设计思路

为此，中国科学院兰州化物所张俊平研究员团队通过系统的理论分析，发现高水接触角、低涂层热导率及水滴在低温、高湿度环境下在涂层表面维持稳定Cassie-Baxter状态是超疏水涂层实现优异被动防结冰性能的关键。为此，该团队在凹凸棒石表面原位生长具有优异光热性能的Cu-MOF并进行低表面能改性；将其分散至粘结剂中并通过非溶剂诱导粘结剂发生相分离形成微米粘结剂/低表面能纳米粒子聚集体；通过一步喷涂法制得具有三级微/纳/纳米结构的光热超疏水防结冰涂层（图1），有效解决了传统光热超疏水防结冰涂层的上述缺陷。该涂层在-10℃、80%相对湿度、0.1个太阳数弱太阳光条件下（或真实环境）展现出优异的防结冰/结霜和除冰/除霜性能。相关研究成果以 “Scalable robust photothermal superhydrophobic coatings for efficient anti-icing and de-icing in simulated/real environments”为题，发表在《Nature Communications》上。该论文的共同第一作者为中国科学院兰州化物所的助理工程师毛明元和助理研究员魏晋飞，通讯作者为张俊平研究员。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、甘肃省自然科学基金及甘肃省科技计划重大专项等项目的支持。

文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54058-8

来源：高分子科学前沿

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