江南大学研发聚苯胺微胶囊实现高效全天候防覆冰和除冰涂层

慧正资讯，日前由江南大学罗静教授及团队研发的“基于包裹相变材料的聚苯胺微胶囊实现的高效全天候防覆冰和除冰涂层”的成果以“Efficiently all-weather anti-icing and de-icing coatings enabled by polyaniline microcapsules encapsulated phase change materials”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

光热超疏水涂层是极具前景的防覆冰/除冰材料，但光能间歇性限制了其在连续除冰需求中的应用。为解决这一问题，本文提出了将光热效应与相变热存储相结合的创新方法。通过包裹硬脂酸丁酯（BS）的聚苯胺微胶囊，制备出高效的防覆冰/除冰涂层。得益于BS的储热能力，该涂层可实现全天候防覆冰。在-20°C下，含10 wt%微胶囊的涂层延长了水滴的结冰时间约12.6倍；在模拟暗光条件下，延迟约14.1倍。此外，聚苯胺的高导热性与优异的太阳能利用效率，使涂层在户外应用中表现出显著的光热除冰性能。在近红外（200 mW/cm²）照射下，水滴融化时间缩短至18秒，较空白涂层快近10倍。同时，聚苯胺微胶囊的抗腐蚀性能，亦适用于金属涂层应用。该全天候防覆冰/除冰涂层的综合性能，使其在苛刻的户外条件下具有良好应用前景。

图1. BS@PANI微胶囊的制备及复合涂层功能示意图。

图2. 不同苯胺浓度下BS@PANI微胶囊的SEM图：BS@PEA (a)，BS@PANI-1 (b)，BS@PANI-2 (c)，BS@PANI-3 (d)，BS@PANI-4 (e)，以及BS@PANI-3微胶囊的元素分布图（对应的SEM图见图S1）。

图3. 空白涂层和不同浓度BS@PANI-3微胶囊复合涂层在加热和冷却过程中的温度变化(a)及典型红外热成像照片(b)；空白涂层和不同浓度BS@PANI-3微胶囊复合涂层在近红外照射下的温度变化(c)及典型红外热成像照片(d)。

图4. 含BS@PANI微胶囊涂层的防覆冰特性示意图(a)；-20°C下不同涂层表面冰冻过程的照片(b)；-20°C下不同涂层水滴的冰冻过程照片(c)；复合涂层防覆冰能力与其他研究的比较(d)。

图5. 含BS@PANI-3微胶囊涂层的除冰特性示意图(a)；不同表面在近红外光照射下冰融化过程的照片(b)；在近红外光照射下，融化水滴沿空白涂层和复合涂层表面滚落的照片(c)。

设计并制备了一种新型多功能聚苯胺微胶囊，包裹相变材料（PCM）。由于其优良的密度、导热性和光热性能，聚苯胺外壳的PCM包裹可以实现高导热性、低泄漏率和高太阳能利用率，从而解决了相变材料的瓶颈问题。通过将聚苯胺微胶囊引入树脂中，制备了一种具备光热和热存储功能的高效防覆冰/除冰涂层。加入10 wt%的聚苯胺微胶囊后，涂层上的水滴在734秒内完全结冰，结冰时间延长约12.6倍。复合涂层上水滴的融化时间缩短至18秒，几乎是空白涂层的10倍。此外，涂层还具有优异的抗腐蚀性能，这对于金属涂层应用尤为重要。因此，引入聚苯胺微胶囊使涂层具备卓越的热调节、除冰/防覆冰及抗腐蚀特性，为通过经济且简便的途径制造多功能涂层开辟了新的思路。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156122

江南大学光聚合技术及先进涂层研究室

江南大学罗静教授及团队来自江南大学光聚合技术及先进涂层研究团队，该团队依托科技部光响应功能分子材料国际联合研究中心和江苏省先进感光材料高价值专利培育示范中心建设，现有12名教授、副教授和工程技术人员，以及63名博硕士研究生，是我国光固化材料领域最主要的研究力量之一。团队拥有全套紫外光、电子束和近红外光辐射固化装备，以及完备的光聚合过程评价和材料性能评价平台。在立足光聚合技术开展相应基础材料及环保涂料、增材制造技术研究的同时，还瞄准国家战略亟需，开展了集成电路、印制电路感光材料和微电子封装材料等的研发工作。团队已获授权70余件中国和国际发明专利；主持或参与国家02重大专项、科技支撑计划等国家、省部级项目30余项，及20余项企业合作项目，在印制电路系列感光材料和无溶剂光固化金属涂料等领域形成了一批具有自主知识产权的创新技术和产业化成果，先后获得中国专利奖、江苏省科技进步奖等5项省部级科技进步奖。