上海电力大学沈喜训/徐群杰团队Progress in Organic Coatings：具有光热和电热效应的超疏水SiO2/GPE/MWCNTs耐用复合涂层用于被动防冰/主动除冰的研究

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Qian Chen，Xixun Shen，Zuogui Zhang ，Qunjie Xu，Robust superhydrophobic SiO2/GPE/MWCNTs durable composite coating with photothermal and electrothermal effect for passive anti-icing/active de-icing，Progress in Organic Coatings ，2024，191，108438.

该团队创造了一种光热和电热相结合的超疏水复合涂层，以满足风扇叶片全天候防冰除冰的适应性。考虑到该复合涂层对光热性能和超疏水性能的双重要求，在复合涂层中同时引入两种不同结构的碳基材料，即层状石墨烯和圆柱形碳纳米管，以赋予涂层优异的热和光热效果，并调节涂层的微观结构。

此外，为了保证涂层的超疏水性和力学性能，在复合涂层中引入了硅烷改性的纳米sio2陶瓷相作为纳米强化相，进一步调节涂层的微观结构，保证涂层的疏水性和耐磨性。采用耐热、耐腐蚀的聚偏氟乙烯(PVDF)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机化合物作为粘接桥梁，确保复合涂层与基体之间的良好附着力。复合涂层具有显著的超疏水性能，接触角约为167.0°，滑动角<4.0°。冻结实验结果表明，复合涂层有效延长了水滴的冻结时间，使冰的粘附强度仅为16±1.5 Kpa，具有优异的防冰性能。复合涂层的光热转换能力和电热性能测试结果表明，由于石墨烯和碳纳米管之间的协同作用，该涂层具有良好的光热和电热能力。此外，还进行了室温除冰、光热除冰、电热除冰、光热与电热结合除冰等多模式除冰实验以及冻雨实验，进一步验证了复合涂层优异的除冰和防冰能力。并详细分析了复合涂层的延迟结冰和除冰机理。经过摩擦磨损试验、砾石冲击试验、水冲击试验和不同pH溶液浸泡试验，复合涂层仍表现出良好的耐久性和稳定性。

图1.超疏水光热/电热防冰涂料的制备工艺图。

图2.光学显微镜下宏观形貌:(a)环氧树脂片样。(b)涂层样品。(c)涂层样品的SEM图。(d)图c中放大部分的EDS谱图。(e)涂层截面厚度SEM图。(f)涂层EDS图和含量表。

图3.(a) SiO₂、F-SiO₂和三乙氧基(1H, 1H, 2H, 2H-非氟己基)硅烷的红外分析图。(b)涂层、PDMS、PVDF、F-SiO₂和三乙氧基(1H, 1H, 2H, 2H-非氟己基)硅烷的红外分析图。

图4. (a)包覆样品上不同大小液滴的照片及包覆样品的CA、SA值;(b)不同尺寸液滴在基底表面的照片及基底的CA值;(c)水滴在涂层表面的粘附性低。(d)水滴在涂层表面的溅射行为;(e)水滴作用下石英砂作为污染物在涂层表面的存在状态。

图5. (a) 1.0太阳(0.1 W/cm²)下基底和涂层样品的温升曲线。(b)不同强度下基底和涂层样品的温升和温降曲线。(c)在1.0太阳光照强度(0.1 W/cm²)下，不同照射角度下涂层样品表面和衬底表面的温升曲线。(d) 0.1 W/ cm²间歇循环光照下涂层温度随时间的变化曲线。(e)在1.0太阳光照强度(0.1 W/cm²)下，不同照射角度下包覆样品表面的循环温度变化曲线。

图6. (a)电功率密度为0.2 W/cm²、0.4 W/cm²和0.6 W/cm²时涂层样品的温升和温降曲线。(b)电热循环测试实验中，涂层在电流密度为0.4 W/cm²时的温度变化曲线。

图7.0.1 W/cm²光强(1.0太阳)和0.2 W/cm²电功率密度(EPD)联合作用下涂层表面的温升曲线，以及0.1 W/cm²纯光强和0.2 W/cm²纯电功率密度(EPD)作用下涂层表面的温升曲线。

图8.(a) 0.5 mL液滴在环境温度为-20℃时在基材和涂层表面冻结过程的图像和红外图像。(b)图8b中从A点到D点，0.5 mL水滴在样品表面冻结的前视图像和红外图像。(c)环境温度为20℃时，0.5 mL液滴在涂层样品和基底表面冻结过程的时间-温度曲线。

图9.在-20℃不间断滴注涂层样品后的表面残留物:(a)无热源，(b)光热(0.1 W/cm²)，(C)电热(0.2 W/cm²)。(d)光热(0.1 W/cm2)和电热(0.2 W/cm²)组合。在-20？C不间断滴下基片后的表面残留:(e)无热源，(f)光热(0.1 W/cm²)。

图10. 基片的捕获图像和相应的红外图像:(a)室温除冰。(b)在0.1 W/cm²光强下除冰。涂层样品的捕获图像和相应的红外图像:(c)室温除冰。(d) 0.1 W/cm²光强下除冰。(e)以0.2 W/cm²的电功率密度除冰。(f)在0.1 W/cm²光强和0.2 W/cm²电功率密度的联合作用下除冰。结论:该研究开发了一种以GPE、MWCNTs、改性SiO₂、PDMS和PVDF为粘合剂的超疏水光热/电热复合涂层，旨在实现高效的防冰除冰功能。通过结合无机纳米粒子与低表面能氟化合物，形成了独特的微纳米结构，赋予了涂层卓越的超疏水性。此外，石墨烯片和碳纳米管的引入进一步增强了涂层的光热和电热性能。在模拟阳光或不同电气工作条件下，该涂层能迅速升温至50-80°C，展现出优异的加热性能。与基材相比，此超疏水涂层显著延长了冻结时间，达到了惊人的460秒延迟。即使在低至-18°C的极端环境下，连续的冻雨水滴也无法在涂层表面凝结成冰，充分验证了其出色的防冰效果。更值得一提的是，当光热与电热协同作用时，涂层的除冰效率达到了新的高度，仅需51秒即可完成除冰过程，这一速度相较于光热或电热单独作用时分别提升了约61.9%和20.3%。此外，经过一系列化学和表面力学测试，该涂层展现出了优异的化学和机械稳定性。综上所述，本研究设计的超疏水复合涂层在光热和电热性能方面表现出色，为被动防冰和主动除冰领域提供了有力的技术支撑，展现出了广阔的应用前景。原文链接：

 https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2024.108438

相应的成果以“Robust superhydrophobic SiO2/GPE/MWCNTs durable composite coating with photothermal and electrothermal effect for passive anti-icing/active de-icing”为题发表在Progress in Organic Coatings上，通讯作者为沈喜训和徐群杰。

来源：超疏水防冰表面研究站