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天津工大張松楠副研究員/福大賴躍坤教授 CEJ：兼具防冰/疏冰和光熱除冰功能的超疏水化學鍍鎳墨水涂層織物

2022-08-09 來源：高分子科技

結冰是一種常見的自然現象，嚴重的積冰問題會對航空航天、交通運輸、電力通信等領域產生不利影響，給人們的生產生活帶來諸多不便，甚至造成重大災害和經濟損失。低溫環境下，對于邊防戰士，長時間頂風冒雪巡邏在環境艱苦，氣候惡劣的邊防一線。當雪化成水后會迅速在服裝表面結冰，增加衣物負重的同時，也會加速邊防戰士的熱量散失，限制其正常行動，影響舒適性。因此，在寒冷的天氣條件下，開發一種兼具防冰/疏冰和除冰功能的戶外服裝面料是非常必要的。傳統的仿荷葉超疏水涂層可延長結冰時間，降低冰的黏附強度，是有效的防冰/疏冰方式。然而，隨著疏水涂層長時間使用，涂層表面結構容易遭到嚴重破壞，影響涂層的融冰時間及其在抗結冰領域的長期使用。

基于上述問題，天津工業大學張松楠副研究員聯合福州大學賴躍坤教授，以鍍鎳聚酯纖維織物為基底，以金屬鎳和墨水中的碳納米顆粒為光熱轉化材料，以PMHS（聚二甲基氫硅氧烷）為表面修飾劑，開發了一種兼具防冰/疏冰和光熱除冰性能的超疏水鍍鎳聚酯織物，有效提高了織物的防結冰和除冰性能。該研究成果以“An electroless nickel plating fabric coated with photothermal Chinese ink for powerful passive anti-icing/icephobic and fast active deicing”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上（見文后原文鏈接），研究工作也得到了農業農村部環境保護科研監測所王雅君博士的大力支持。

圖1. 光熱疏水PMHS-Ink/Ni-P/PET材料的制備過程

光熱除冰是將具有光熱效應的粒子添加到疏水涂層中，在不影響材料疏水性能的同時，利用光能轉化的熱能融化涂層表面的積冰，從而達到快速除冰的目的。光熱除冰是一種利用太陽光進行除冰的有效方式，不會產生任何的能耗，綠色環保。該研究成果以鍍鎳聚酯織物為基礎，噴涂PMHS和油墨混合溶液，制備了一種兼具防冰/疏冰和光熱除冰性能的光熱疏水PMHS-Ink/Ni-P/PET材料，制備過程如圖1所示，各樣品的電鏡圖如圖2a-h所示。該方法工藝流程簡單，所采用的材料都可實現大規模工業化生產，具有很好的應用前景，為光熱疏水高分子材料的制備提供了一種新的思路。

圖2. a-h) 樣品的SEM圖：a, b) PET；c, d) Ni-P/PET；e, f) PMHS-Ink/PET；g, h) PMHS-Ink/Ni-P/PET。i) 樣品表面潤濕性能表征；j) 樣品的吸收光譜；k) 樣品在1個太陽光強度照射下的溫度變化圖；l) PMHS-Ink/Ni-P/PET在不同曝光時間后的光熱性能；m) PMHS-Ink/Ni-P/PET在不同光強下的溫度變化曲線；n) PMHS-Ink/Ni-P/PET光敏性能測試

在碳素墨水中碳納米粒子與鎳磷納米粒子的協同作用下，PMHS-Ink/Ni-P/PET具有優良的光熱轉化性能。如圖2i-n所示，PMHS-Ink/Ni-P/PET表面由于鎳磷納米粒子和碳納米粒子的協同作用，具有較大的粗糙度，接觸角為141.18°，疏水效果最好。在波長為280-2500 nm的范圍內，其吸光度可高達97%。由于PMHS-Ink/Ni-P/PET具有更快的升溫速率和更為靈敏的光熱響應性，在一個太陽光光照80 s內即可達到72 ℃的平衡溫度，且光熱性能穩定性好。

圖3. a) 液滴在不同表面上的凍結過程；b) 液滴在不同表面上凍結時間的數據圖；c) 不同表面的冰粘附強度

圖4. a) 在1個太陽光強度照射下，不同表面上冰滴的光熱除冰過程；b) PMHS-Ink/Ni-P/PET在1個太陽光強度照射下的冰層融化過程；c) 冰滴在不同樣品表面上的融化時間；d) PMHS-Ink/Ni-P/PET表面光熱除冰機理圖

碳納米粒子、鎳磷納米粒子以及PMHS的協同作用，賦予材料表面優良的防冰/疏冰和光熱除冰性能。在-15 ℃下，PMHS-Ink/Ni-P/PET表面結冰時間延長到1022 s，有效降低了結冰過程中的熱傳導效率，大大延長了結冰時間；同時結冰后，該表面的粘附力最低，約為55.14 kPa（如圖3所示）。在-10 ℃下，PMHS-Ink/Ni-P/PET表面冰滴的融化時間縮短到455 s，有利于冬季戶外聚酯纖維織物實現快速主動除冰（如圖4所示）。同時PMHS-Ink/Ni-P/PET表面具有良好的耐磨性能和耐紫外性能，可保持戶外長時間有效使用。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722038116

個人主頁：https://www.x-mol.com/groups/zhangsongnan

下載：An electroless nickel plating fabric coated with photothermal Chinese ink for powerful passive anti-icing/icephobic and fast active deicing

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（責任編輯：xu）

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