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蘭州化物所張俊平研究員團隊《Nat. Commun.》:在模擬/真實環(huán)境下具有優(yōu)異防結冰/除冰性能的光熱超疏水涂層
2024-11-10  來源:高分子科技

  表面結冰問題對新能源設施(如輸電線路、風電葉片等)運行的安全性、可靠性構成了嚴重威脅,并導致了巨大的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的除冰方法,如機械振動和熱處理,通常需要大量的人力和物力,且除冰效率較低。近年來,研究者們逐漸關注被動防結冰策略,這種策略因其高效、低成本的特點而備受青睞。迄今為止,超疏水涂層已成為最具前景的被動防結冰解決方案之一。其卓越性能主要源于高接觸角(>150°)和低滾動角(<10°),這有效減少了固體與液體的接觸面積,從而延緩冰的形成并降低冰的粘附強度。然而,超疏水涂層只能延緩結冰,無法完全防止結冰。


  因此,結合被動防結冰與主動除冰功能的光熱超疏水涂層正逐漸成為一種有效的防結冰、除冰材料。盡管光熱超疏水防結冰/除冰涂層的研究取得了顯著進展,但其實際應用仍面臨以下挑戰(zhàn):(1)在低溫、高濕度環(huán)境下,液滴在涂層表面難以維持穩(wěn)定的Cassie-Baxter狀態(tài),導致防結冰性能急劇下降;(2)大多數(shù)光熱超疏水涂層在1個太陽數(shù)光照強度下表現(xiàn)優(yōu)異,但在寒冷冬季,這樣高強度的太陽光并不常見;(3)涂層穩(wěn)定性不足限制了其實際應用。


1光熱超疏水防結冰/除冰涂層的設計思路


  為此,中國科學院蘭州化物所張俊平研究員團隊通過系統(tǒng)的理論分析,發(fā)現(xiàn)高水接觸角、低涂層熱導率及水滴在低溫、高濕度環(huán)境下在涂層表面維持穩(wěn)定Cassie-Baxter狀態(tài)是超疏水涂層實現(xiàn)優(yōu)異被動防結冰性能的關鍵。為此,該團隊在凹凸棒石表面原位生長具有優(yōu)異光熱性能的Cu-MOF并進行低表面能改性;將其分散至粘結劑中并通過非溶劑誘導粘結劑發(fā)生相分離形成微米粘結劑/低表面能納米粒子聚集體;通過一步噴涂法制得具有三級微//納米結構的光熱超疏水防結冰涂層(圖1),有效解決了傳統(tǒng)光熱超疏水防結冰涂層的上述缺陷。該涂層在-10℃80%相對濕度、0.1個太陽數(shù)弱太陽光條件下(或真實環(huán)境)展現(xiàn)出優(yōu)異的防結冰/結霜和除冰/除霜性能。


  相關研究成果以 “Scalable robust photothermal superhydrophobic coatings for efficient anti-icing and de-icing in simulated/real environments”為題,發(fā)表在《Nature Communications》上。該論文的共同第一作者為中國科學院蘭州化物所的助理工程師毛明元和助理研究員魏晉飛,通訊作者為張俊平研究員。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、甘肅省自然科學基金及甘肅省科技計劃重大專項等項目的支持。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-54058-8.

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(責任編輯:xu)
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