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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(xué)鍍鎳墨水涂層織物

2022-08-09 來源：高分子科技

結(jié)冰是一種常見的自然現(xiàn)象，嚴重的積冰問題會對航空航天、交通運輸、電力通信等領(lǐng)域產(chǎn)生不利影響，給人們的生產(chǎn)生活帶來諸多不便，甚至造成重大災(zāi)害和經(jīng)濟損失。低溫環(huán)境下，對于邊防戰(zhàn)士，長時間頂風冒雪巡邏在環(huán)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(jié)冰，增加衣物負重的同時，也會加速邊防戰(zhàn)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(fā)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(tǒng)的仿荷葉超疏水涂層可延長結(jié)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(jié)構(gòu)容易遭到嚴重破壞，影響涂層的融冰時間及其在抗結(jié)冰領(lǐng)域的長期使用。

基于上述問題，天津工業(yè)大學(xué)張松楠副研究員聯(lián)合福州大學(xué)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(zhuǎn)化材料，以PMHS（聚二甲基氫硅氧烷）為表面修飾劑，開發(fā)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(jié)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(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上（見文后原文鏈接），研究工作也得到了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)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(yīng)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(zhuǎn)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(chǎn)生任何的能耗，綠色環(huán)保。該研究成果以鍍鎳聚酯織物為基礎(chǔ)，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(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，具有很好的應(yīng)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(xié)同作用下，PMHS-Ink/Ni-P/PET具有優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)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(xié)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(nèi)，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(yīng)性，在一個太陽光光照80 s內(nèi)即可達到72 ℃的平衡溫度，且光熱性能穩(wěn)定性好。

圖3. a) 液滴在不同表面上的凍結(jié)過程；b) 液滴在不同表面上凍結(jié)時間的數(shù)據(jù)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(xié)同作用，賦予材料表面優(yōu)良的防冰/疏冰和光熱除冰性能。在-15 ℃下，PMHS-Ink/Ni-P/PET表面結(jié)冰時間延長到1022 s，有效降低了結(jié)冰過程中的熱傳導(dǎo)效率，大大延長了結(jié)冰時間；同時結(jié)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(xiàn)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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