江苏师范大学陈天驰团队Soft Matter：一种多层柔性光热氮化钛基超疏水表面，用于高效防冰和除冰
![]()
引用格式：
Ji B, Chen T, Song X, et al.A multi-layer flexible photothermal titanium nitride-based superhydrophobic surface for highly efficient anti-icing and de-icing.[J].Soft matter, 2024.
积冰对各种居民活动和工业设施提出了重大挑战。目前大多数除冰方法既耗时又昂贵。光热超疏水表面以其环保、节能的特点在防冰、除冰领域引起了广泛的关注。然而，在超低温（<-30℃）条件下获得具有可靠的结冰延迟和有效的光热除冰能力的光热超疏水表面仍然是一个巨大的挑战。在本研究中，我们制备了一种多层柔性光热TiN基超疏水表面（ML-SHS），包括FAS@SiO2/TiN超疏水层和PDMS/ Triton X-100柔性支撑层。最佳的ML-SHS具有优异的超疏水性（水接触角为162.71°，滑动角为21°），平均光吸收率为95.6%，在1个太阳照射下，表面温度显著升高80.2 ℃。液滴在10℃无太阳光照和35℃单太阳光照条件下很容易从MLSHS上滚下，表现出出色的被动防冰能力。由于其出色的光热转换和热约束能力，在1个太阳照射下，ML-SHS上积累的冰层在20℃下在450秒内迅速融化。ML-SHS还具有自清洁性能、机械耐久性和化学稳定性，确保了超疏水表面在恶劣条件下的可用性。我们的研究为光热超疏水表面的设计和制造提供了一种新的方法，有助于在实际应用中实现高效的被动防冰和主动除冰。![]()
图1. FAS-TiN@SiO2超疏水表面和多层超疏水表面制备过程示意图。
![]()
图2.样品的SEM图像。(a)二氧化硅/ TiN-0;(b)二氧化硅/ TiN-10;(c)二氧化硅/ TiN-30;(d)二氧化硅/ TiN-50;(e) C、F、N、O、Si、Ti的EDS元素图。
![]()
图3. ML-SHS形成机理示意图：(a) FAS-TiN@SiO2, (b) PDMS@FAS-TiN@ sio2, (c) PDMS@EP@FASTiN@SiO2。
![]()
图4. ML - SHS的润湿性：(a) ML - SHS上的WCA， (b)涂层表面各种液滴的光学照片，(c)特征银镜效应，(d)涂层的自清洁性能，(e)涂层表面喷射气流的光学照片，(f) ML - SHS的不粘附性能照片，(g) 5ml水滴从涂层表面上方3cm处落下的弹跳过程。
![]()
图5. 未处理表面、SHS和ML-SHS在10℃至40℃温度范围内的结冰延迟过程。
![]()
图6. ML-SHS光热除冰能力，(a) 1次太阳照射下不同温度下ML-SHS光热除冰过程的光学图像；(b) 0.5和0.75太阳辐照下ML-SHS超疏水光热涂层光热除冰过程的光学图像。
综上所述，以TiN纳米颗粒为光热材料，PDMS/ Triton X-100层为柔性支撑层，制备了一种新型光热防冰/除冰多层超疏水表面（ML-SHS）。ML-SHS在低温条件下表现出优异的超疏水性和高效的光热性能，并表现出被动防冰和主动除冰的结合性能。结果表明：SiO2纳米粒子作为微突出结构的骨架，TiN纳米粒子提供纳米级的粗糙度，使得微突出结构的接触角高162°，滑动角低21°。讨论了PDMS/Triton X-100层和EP/ PDMS树脂的形成机理。ML-SHS可以承受恶劣的环境，如机械接触和腐蚀条件，具有优异的机械耐久性和化学稳定性。由于ML-SHS具有优异的超疏水性，在-35℃环境下，其结冰延迟时间比未涂覆的样品长约50倍。在光热转换性能方面，ML-SHS在390 ~ 2000 nm波长范围内具有95.6%的高吸收率，在1个太阳照射下的峰值平衡温度为80.2 ℃，光热转换效率为72.6%。这种改进归功于分层微/纳米结构的光捕获能力和PDMS/Triton X-100柔性层的低导热性。在-35℃的温度下，在1kw m-2的太阳照射下，ML-SHS上的水滴不会结冰，显示出优异的光热防冰能力。同时，ML-SHS具有良好的光热除冰性能。ML-SHS涂层表面的冰层融化并迅速滑落，即使在低太阳照射强度（0.5太阳）下也能保持表面干燥。这些优异的性能充分证明了制备的具有高效光热性能的ML-SHS在被动防冰和主动除冰方面具有广阔的应用前景。
原文链接：http://dx.doi.org/10.1039/d4sm00818a相应的成果以“A multi-layer flexible photothermal titanium nitride-based superhydrophobic surface for highly efficient anti-icing and de-icing”为题发表在Soft Matter上，文章的通讯作者为陈天驰。
END
投稿邮箱：aystar@cafuc.edu.cn
中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。
便于课题申报，学术交流，特此建立一个《超疏水防冰领域技术交流三群》，诚挚邀请各位专家老师进群交流。同时本群会收集关于超疏水防除冰领域中具有显著影响力的研究成果和最新技术，并在《超疏水防冰表面研究站》公众号发布。进群请扫描下方群二维码。![]()
添加群二维码，大家一起探讨 ![]()
![]()
![]()
群管理员 ![]()
![]()
【声明】版权归原作者所有，部分资料可能来源于网络，由于水平有限难免出现偏差，感兴趣者可点击左下角阅读原文，感谢您的支持和关注。欢迎您提出宝贵建议，任何事宜请联系后台管理员。
