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浙工大刘善秋团队 Adv. Mater.：通过具有可切换固液态的光/电热微纳米结构设计坚固且超高效的防/除冰表面

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-12-04 12:58

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结冰是一种由温度降至冰点或冰点以下的情况引起的普遍的天气现象。表面结冰对道路运输、航空、电力线、海上作业等构成重大风险。因此，开发有效的预防和除冰方法至关重要。传统的除冰方法，如机械和化学除冰，通常涉及复杂、低效的过程，能耗和成本很高。近年来，研究者们逐渐关注被动防结冰策略，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。超疏水表面具有微米和纳米结构的拓扑结构，可最大限度地减少水接触，促进延迟冷冻并降低冰的粘度强度。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，当水蒸气凝结成微小的液滴时，这些液滴会在固体表面冻结并嵌入其粗糙的纳米结构中。在熔化过程中，由于热效应的影响，这种复杂的微纳米结构导致了与融水的显著机械联锁。这个问题不仅降低了除冰的效率，而且由于表面被水润湿，材料的防冰和超疏水性能也会恶化。（ 2 ）大多数光热超疏水涂层在充足的太阳光照强度下表现优异，但是在寒冷冬季或者夜晚，这样高强度的太阳光并不常见。（ 3 ）超疏水涂层的结构稳定性不足也限制了其实际应用。

为此，该团队提出了一种新颖的高强度超高效防 / 除冰表面设计（图 1 ）。通过在微纳米结构上施加动态固液相变涂层（石蜡层），在热诱导条件下的除冰过程中在其表面实现了非极性液态。这种转变显著减少了水分子与微纳米结构表面之间的分子级相互作用，有效地避免了机械联锁和融水渗透的问题。因此，即使在水蒸气在微纳米结构内凝结和冻结，在模拟的自然结冰条件下形成机械联锁后，工程表面仍表现出卓越的除冰效率。为了进一步增强表面对机械磨损的抵抗力，应用激光蚀刻为表面配备了高强度的微米级防护装甲，这确保了表面即使在经过广泛的机械磨损后也能保持其功能。工程表面表现出超高效、长期稳定的防 / 除冰性能和优异的超疏水性，结冰延迟≈ 1250 秒，光热除冰 8 秒，水接触角 165 °，滑动角 0.2 °。此外，在 0.93MPa 下进行 400 次线性磨损循环后，表面保持了有效的防冰 / 除冰能力和拒水性。这项工作为设计具有鲁棒性和高效防冰 / 除冰性能的新型材料提供了见解，有可能将其应用扩展到更广泛的现实世界场景。

图 1 ： RADS 的设计、制造和形态特征。 a) RADS 设计和制造过程的示意图。 b) SEM 图像和 c) 通过飞秒激光蚀刻在载玻片上制造的微柱阵列的相应共聚焦显微镜图像。 d) 原位生长的聚倍半硅氧烷纳米线的 SEM 图像， e ) 负载聚吡咯纳米颗粒（ 90 分钟），然后 f) 三氯乙基硅烷疏水化处理， g ) 热响应相变纳米涂层的应用。 h–j ) 分别呈现图像 d ) 、 e ) 和 g ) 的共聚焦显微镜对应 图片。

图 2 : 结构参数对表面润湿性和机械化学耐久性的影响。 a) 不同微柱阵列的 RADS 的超疏水性。 b) 展示 RADS 低粘附性和优异防水性的照片。 c) 线性磨损试验示意图。在 200 次极端线性磨损循环期间， d) 接触角和 e) 滑动角的变化。酸碱腐蚀下 RADS 的 f) 接触角和 g) 滑动角的变化。 h) 极端温度（ -196 ℃ 和 150 ℃ ）、紫外线照射和高湿度（ 90%RH ）下超疏水性的耐久性。

图 3: 防冰和光 / 电热除冰。 a) 结冰延迟时间和 b) 不同表面形态的 RADS 的冰粘附强度。 c) 1.0 太阳光照下 RADS 的温度 - 时间曲线。 d ) 热红外图像和 e) 显示 RADS 在 1.0 太阳光照下有效除冰的照片。 f) 10 V 直流电压下 RADS 的温度 - 时间曲线。 g) 红外图像和 h) 照片展示了 RADS 在 10 V 直流电压下的有效除冰。 i) RADS 的光热和电热除冰时间。在除冰试验中， RADS 的倾斜角度为 30 度。

图 4: 防冰 / 除冰的长期稳定性和机械耐久性。 a) 连续五个光 / 电热除冰循环中除冰时间的变化。 b) 在连续五个周期内，在 1 个太阳光照下进行光热循环。 c ) 光热和电热除冰 15 个周期后超疏水性的变化。 d ）冰延迟时间随线性磨损循环次数的变化。 e) 在 1.0 太阳光照下的光热转换和 f) 在 400 次线性磨损循环前后在 10V 下的电热转换。 g) 冰层从表面滑落， h) 热红外图像显示了 400 次线性磨损循环后， RADS 在 1.0 太阳光照下的温度升高。 i) 在 400 次线性磨损循环后，冰层在 10V 下从表面滑落。 J) 在 400 次线性磨损循环后进行 5 次光热和电热除冰循环后的表面润湿性。 k ) 400 次线性磨损循环前后表面形态的 SEM 图像。

图 5: 除冰过程中机械联锁的破坏及其机理。 a) 在自然寒冷环境中，由于水蒸气凝结和冻结，冰层和表面微纳米结构之间的机械联锁示意图。 b) 1 太阳光照下除冰性能的比较以及 c) RADS 和传统光热超疏水表面除冰后表面干燥度和超疏水性的评估。 d) RADS 和同行报告的光热超疏水表面之间除冰时间和除冰后润湿性的比较。红色区域表示非湿润表面，蓝色区域表示有积水的表面。 e) 冰中残留水分子百分比的趋势以及 f) 冰质心与表面之间的距离随温度的变化。 g) RADS 在光 / 电热条件下的有效除冰机制示意图。

该研究成果以 “ Robust and Ultra-Efficient Anti-/De-Icing Surface Engineered Through Photo-/Electrothermal Micro-Nanostructures With Switchable Solid-Liquid States ” 为题发表在 Advanced Materials 上，该文的第一作者为浙江工业大学材料科学与工程学院的硕士研究生

浙工大刘善秋团队 Adv. Mater.：通过具有可切换固液态的光/电热微纳米结构设计坚固且超高效的防/除冰表面

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