天津工大张松楠副研究员/福大赖跃坤教授 CEJ：兼具防冰/疏冰和光热除冰功能的超疏水化学镀镍墨水涂层织物

2022-08-09 来源：高分子科技

结冰是一种常见的自然现象，严重的积冰问题会对航空航天、交通运输、电力通信等领域产生不利影响，给人们的生产生活带来诸多不便，甚至造成重大灾害和经济损失。低温环境下，对于边防战士，长时间顶风冒雪巡逻在环境艰苦，气候恶劣的边防一线。当雪化成水后会迅速在服装表面结冰，增加衣物负重的同时，也会加速边防战士的热量散失，限制其正常行动，影响舒适性。因此，在寒冷的天气条件下，开发一种兼具防冰/疏冰和除冰功能的户外服装面料是非常必要的。传统的仿荷叶超疏水涂层可延长结冰时间，降低冰的黏附强度，是有效的防冰/疏冰方式。然而，随着疏水涂层长时间使用，涂层表面结构容易遭到严重破坏，影响涂层的融冰时间及其在抗结冰领域的长期使用。

基于上述问题，天津工业大学张松楠副研究员联合福州大学赖跃坤教授，以镀镍聚酯纤维织物为基底，以金属镍和墨水中的碳纳米颗粒为光热转化材料，以PMHS（聚二甲基氢硅氧烷）为表面修饰剂，开发了一种兼具防冰/疏冰和光热除冰性能的超疏水镀镍聚酯织物，有效提高了织物的防结冰和除冰性能。该研究成果以“An electroless nickel plating fabric coated with photothermal Chinese ink for powerful passive anti-icing/icephobic and fast active deicing”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（见文后原文链接），研究工作也得到了农业农村部环境保护科研监测所王雅君博士的大力支持。

图1. 光热疏水PMHS-Ink/Ni-P/PET材料的制备过程

光热除冰是将具有光热效应的粒子添加到疏水涂层中，在不影响材料疏水性能的同时，利用光能转化的热能融化涂层表面的积冰，从而达到快速除冰的目的。光热除冰是一种利用太阳光进行除冰的有效方式，不会产生任何的能耗，绿色环保。该研究成果以镀镍聚酯织物为基础，喷涂PMHS和油墨混合溶液，制备了一种兼具防冰/疏冰和光热除冰性能的光热疏水PMHS-Ink/Ni-P/PET材料，制备过程如图1所示，各样品的电镜图如图2a-h所示。该方法工艺流程简单，所采用的材料都可实现大规模工业化生产，具有很好的应用前景，为光热疏水高分子材料的制备提供了一种新的思路。

图2. a-h) 样品的SEM图：a, b) PET；c, d) Ni-P/PET；e, f) PMHS-Ink/PET；g, h) PMHS-Ink/Ni-P/PET。i) 样品表面润湿性能表征；j) 样品的吸收光谱；k) 样品在1个太阳光强度照射下的温度变化图；l) PMHS-Ink/Ni-P/PET在不同曝光时间后的光热性能；m) PMHS-Ink/Ni-P/PET在不同光强下的温度变化曲线；n) PMHS-Ink/Ni-P/PET光敏性能测试

在碳素墨水中碳纳米粒子与镍磷纳米粒子的协同作用下，PMHS-Ink/Ni-P/PET具有优良的光热转化性能。如图2i-n所示，PMHS-Ink/Ni-P/PET表面由于镍磷纳米粒子和碳纳米粒子的协同作用，具有较大的粗糙度，接触角为141.18°，疏水效果最好。在波长为280-2500 nm的范围内，其吸光度可高达97%。由于PMHS-Ink/Ni-P/PET具有更快的升温速率和更为灵敏的光热响应性，在一个太阳光光照80 s内即可达到72 ℃的平衡温度，且光热性能稳定性好。

图3. a) 液滴在不同表面上的冻结过程；b) 液滴在不同表面上冻结时间的数据图；c) 不同表面的冰粘附强度

图4. a) 在1个太阳光强度照射下，不同表面上冰滴的光热除冰过程；b) PMHS-Ink/Ni-P/PET在1个太阳光强度照射下的冰层融化过程；c) 冰滴在不同样品表面上的融化时间；d) PMHS-Ink/Ni-P/PET表面光热除冰机理图

碳纳米粒子、镍磷纳米粒子以及PMHS的协同作用，赋予材料表面优良的防冰/疏冰和光热除冰性能。在-15 ℃下，PMHS-Ink/Ni-P/PET表面结冰时间延长到1022 s，有效降低了结冰过程中的热传导效率，大大延长了结冰时间；同时结冰后，该表面的粘附力最低，约为55.14 kPa（如图3所示）。在-10 ℃下，PMHS-Ink/Ni-P/PET表面冰滴的融化时间缩短到455 s，有利于冬季户外聚酯纤维织物实现快速主动除冰（如图4所示）。同时PMHS-Ink/Ni-P/PET表面具有良好的耐磨性能和耐紫外性能，可保持户外长时间有效使用。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722038116

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

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（责任编辑：xu）

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