北京航空航天大学陈华伟教授ACS Applied Materials & Interfaces：一种透明的光/电热复合涂层像液体一样光滑的特性，可全天防/除冰

引用格式：

Wang Y, Zhang K, Cui X, et al. A Transparent Photo/Electrothermal Composite Coating with Liquid-like Slippery Property for All-Day Anti-/De-Icing[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16(31): 41400-41408.

积冰是一种常见现象，会导致性能下降和安全问题，影响系统如太阳能电池板、飞机等。被动防冰表面如SLIPS虽有低结冰粘附力，但因润滑油流失限制了其应用。为提高耐久性，开发了共价接枝PDMS刷的替代方案。然而，被动防冰不足以应对动态结冰，需结合主动防冰技术。太阳能光热防冰是一种新型节能技术，但受限于阳光强度。为解决此问题，透明光热涂层结合了光效应和光热效应，但仍面临光谱选择性等局限。理想的涂层应具备高透明度、光谱选择性及低冰粘附力。

北京航空航天大学陈华伟教授团队开发了一种双层防冰/除冰涂层结合透明液体状滑和光/光性能（T-SEPC）。通过在环氧树脂中加入聚二甲基硅氧烷单甘酯封端（PDMSME）、掺铯三氧化钨（CWO）和苯并三氮唑（BTA）制备了顶部透明光滑光热层。PDMSME刷可以接枝到环氧树脂中，形成液体状层，为涂层提供稳定的光滑性能。涂层材料的组成通过分别通过BTA和CWO选择性地吸收UV和NIR来实现光谱选择性，同时保持可见光的高透射率。该涂层具有高达77%的可见光透射率和对紫外线和近红外光的高吸收率，在1个太阳照射下可使温度升高35 °C。制造底部氧化铟锡层以在复合涂层上赋予抗蚀能力，从而实现全天候除冰。

图1. 透明高效防除冰多功能联轴器示意图。(b)高透明度T-SEPC薄膜示意图。(c)EP/PDMSME涂层、PEA、PDMSME和环氧树脂的ATR-FTIR光谱。具有（d）不同CWO/BTA比率和（e）厚度的T-SEPC的透射光谱。(f)T-SEPC的SEM图像和（g）EDS元素分析。

图2. (a)10 μL各种液体在T-SEPC上的水接触角和滑动角，以及T-SEPC的滑动性能。(b)各种10 μL液体在倾斜7°的T-SEPC上滑动过程的选定图像。(c)不同添加量T-SEPC与CWO、PDMSME的水滑动角。T-SEPC上的WCA和WSA作为（d）水pH值和（e）水温的函数。(f)T-SEPC覆冰附着试验装置及低冰附着机理示意图。具有不同量的添加的（g）PDMSME和（h）CWO的T-SEPC的冰剪切粘合。(i)在结冰/除冰循环试验期间样品T-SEPC、SLIPS和环氧树脂的冰剪切粘附力。T-SEPC在不同（j）储存时间、（k）紫外（UV）辐射时间、（l）在80 ℃下加热时间、（m）胶带剥离循环下的滑动特性。(n)T-SEPC和SLIPS的喷水冲击试验。样品倾斜角度为45°，水龙头与样品之间的距离为10 cm。(o)耐久性测试后T-SEPC的可见光透射率。

图3. (a)T-SEPC在不同电压下的电热温度变化曲线。(b)TSEPC在光功率密度下的光热温度变化曲线。T-SEPC在2 V电压下的温度变化过程（c）和太阳光辅助下的热红外图像（d）。(e)T-SEPC在不同电压和光功率密度下的热红外图像。(f)T-SEPC在2 V和1个太阳辅助下循环加热-冷却过程中的温度变化。(g)光/电热低冰附着力的原理，以及T-SEPC在不同温度下有、无电压或阳光下的冰附着强度。

图4. (a)实验装置的示意图。(b)在1.8度太阳光照下照射后的磨砂（I）玻璃和（III）T-SEPC膜的照片，以及在1.8度太阳光照下和在没有1.8度太阳光照下施加5V电压辅助的磨砂T-SEPC膜的照片。(c)连续10个循环的光热、光致变色和光/光效应的变色时间。(d)除冰实验装置的示意图。除冰（e）处理照片和（f）T-SEPC和玻璃在光热、紫外光和光/紫外光条件下的时间。

总结与展望

在这项研究中，报告了一个双层透明的光/电涂层具有液体般的光滑性能，全天防/除冰。通过在环氧树脂中添加端接聚二甲基硅氧烷单甘酯（PDMSME）、掺铯三氧化钨（CWO）和苯并三氮唑（BTA）制备了顶部透明光滑光热层。由于PDMS刷子的低表面能和高流动性，涂层表面显示出优异的水滑动，并且可以减少冰粘附，其中水滑动角和冰粘附强度分别低至6°和38 kPa。各种水性液体、不同PH值的溶液以及不同温度下的水在具有较低SA的顶涂层上滑动，显示出良好的滑动性能。顶部涂层材料的组成实现了光谱选择性，而不是无差别地吸收太阳能的全光谱：BTA和CWO分别对UV和NIR具有高吸收性，并且对可见光具有高透射率。该涂层可提供高达77%的可见光透过率和对紫外线和近红外光的高吸收，在1个太阳光照下可实现温度升高35 °C。制备底部氧化铟锡层以提供复合涂层的防冰能力，使其能够实现全天除冰。光/电热与防滑效果的结合，显着缩短除冰和除霜时间，展现出高效的除冰性能。本工作为透明光滑光/水复合涂层的实际防冰和除冰应用提供了一条新的途径。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c03683

相应的成果以“A Transparent Photo/Electrothermal Composite Coating with Liquid-like Slippery Property for All-Day Anti-/De-Icing”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

来源：微信公众号超疏水防冰表面研究站