【摘要】
冬季积冰给工业生产和日常生活带来了诸多问题，如何防止结冰或快速除冰近年来引起了研究人员的高度重视。最近，中国科学院兰州化学物理研究所吴杨/周峰研究员团队展示了一种使用超疏水光热和隔热大孔干凝胶(PMX) 在微弱阳光照射下延迟结冰和有效去除冰的策略。采用冰模板法制备了定向大孔干凝胶，并将在阳光照射下作为光热发生组分的多壁碳纳米管引入干凝胶中。氟化后，PMX 表现出强大的防水性和延迟结冰。
更重要的是，PMX基体中的众多大孔充当了热障，可以最大限度地限制热量向周围环境的传递，保证了低温下的高效防冰和除冰。在 0.25 kW/m2（“0.25 太阳”）阳光照射下，PMX 表面上的水永远不会在 -30°C 下结冰。户外实验也证实了 PMX 在自然冬季环境中的可用性。集生热和隔热功能于一体的PMX为高效防冰除冰提供了新途径。相关论文以题为Improving Anti-Icing and De-Icing Performances via Thermal-Regulation with Macroporous Xerogel发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
【主图导读】
图 1.(a) 超疏水 PMX 的制备过程示意图。(b) 狗尾草上超疏水 PMX 的光学图像。(c) 超疏水 PMX 表面的 SEM 图像，(d) 局部放大细节，和 (e) 超疏水 PMX 的横截面。
图 2.(a) 氟化 PMX 超疏水性的数字图像。水滴停留在球形的氟化PMX表面上，水流从氟化PMX表面反弹，并且在浸入水中的氟化PMX表面上可以形成气态腹板。氟化 PMX 的超疏水性可以在 (b) 在砂纸上磨损和 (c) 任意切碎后保持。(d) PMX 压缩-释放循环的数字图像和 (e) PMX 在 20 个压缩循环中具有不同压缩比的压缩强度曲线。
图 3.超疏水 PMX 的自清洁和自修复特性。(a) 在不同阶段用水冲洗后 PMX 表面污染物的数码照片和 (b) 在“1 太阳”照射下的相应红外图像。(c) 氧等离子体蚀刻后，在“1 太阳”照射下，PMX 表面的水接触角随照射时间的变化。(d) PMX 从超亲水性到超疏水性的自愈循环。
图 4.(a) 在不同强度的阳光照射下，水在超疏水 PMX 表面的结冰过程。(b) 超疏水 PMX 和先前报道的各种光热材料在表面温度、阳光强度和环境温度方面的比较。
图 5.(a) PMX 和 PX 的热传导示意图。(b) “1 sun”光照下PMX和PX正面和背面的温升曲线。(c) PMX 和 PX 的正面和背面之间的温差。（ d ）在“ 1 sun”照明下PMX和PX的正面和背面的红外图像。
图 6.在不同强度的阳光照射下，PMX 表面冰滴的融化过程。
图 7.室外融雪实验。（a）室外环境中PMX表面的融雪过程。(b) 0 和 (c) 8 分钟时超疏水 PMX 表面的红外图像。
【总结】
使用简单的冰模板法构建多孔超疏水干凝胶，并将MWCNTs 引入系统中，以在阳光照射下显示出优异的光热性能。在干凝胶中，由冰晶形成的众多多孔通道可以减少热量损失，从而在低温环境下提供快速升温和高效的防/除冰性能。在微弱的阳光下（“0.25 太阳”），PMX 表面的水在-30°C 环境中永远不会结冰，在“1 太阳”照射下表面温度可达 39°C。此外，PMX 固有的超疏水性赋予表面优异的自清洁和自修复性能，可长时间提供高效的光热性能。最后，户外实验也证实了PMX在寒冷的自然环境中的可用性。这种集自清洁、自愈、防冰、除冰、隔热等性能于一体的超疏水PMX可能会引起人们的兴趣。这种超疏水 PMX 也将具有良好的防冰和除冰工程潜力。
参考文献：
doi.org/10.1021/acsami.1c08770
原文刊载于【高分子材料科学】公众号
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