河北工业大学杨超副教授Composites Science and Technology：具有结冰监测和防结冰/除冰性能的多功能超疏水复合膜
引用格式：
Yang C, Ji H, Song L, et al. Multifunctional Superhydrophobic Composite Film with Icing Monitoring and Anti-icing/Deicing Performance[J]. Composites Science and Technology, 2024: 110916.
结冰会对飞机、风力涡轮叶片、电力线路及其他户外设备造成损害，带来严重的安全风险。传统除冰技术（机械、化学和电加热）存在能量浪费、环境污染和二次结冰等问题，限制了其应用。超疏水表面因其优异的疏水性能，能够防止超冷液滴附着并有效阻止热传导，被视为防止结冰的有效方法。
研究者们采用激光纹理化不锈钢等技术，设计出耐用的超疏水表面，表现出良好的抗结冰性能。例如，某些超疏水表面在-8°C下水滴可保持液态500分钟。尽管如此，超疏水表面容易受低温和高湿影响，超冷液滴可能在微纳米结构中凝结，导致抗结冰失效。因此，研究者开始关注电热超疏水复合膜，因其抗结冰和除冰的协同效应。例如，采用溶解和重聚合法制备的超疏水电热膜，在-15°C下结冰延迟时间可达355秒。在施加50V电压时，膜温度可迅速升高至69.1°C，有效去除3毫米厚的冰。此外，通过喷涂技术构建的超疏水覆盖层，在-10°C和75%相对湿度条件下结冰延迟时间达到112.5分钟。然而，这些技术通常需要复杂的制备步骤和化学处理，限制了实际应用，并且缺乏结冰状态监测功能。因此，设计一种具备结冰监测及抗结冰/除冰功能的多功能超疏水复合膜仍然具有挑战性。
本研究通过激光烧蚀和喷涂法制备了一种多功能超疏水复合膜。聚酰亚胺/碳纳米管（PI/CNTs）复合材料通过激光烧蚀转化为激光诱导石墨烯/碳纳米管（LIG/CNTs）导电网络。在其表面喷涂疏水纳米二氧化硅（SiO2）和聚二甲基硅氧烷（PDMS），最终形成的复合膜展现出接触角155.3°和滑动角3.1°，并能在-20°C下延长结冰时间4分钟。膜在施加5V电压时，温度可在90秒内升高至107°C，显示出高效除冰能力。得益于温度传感性能，该膜还能够实时监测不同体积和温度液滴的结冰与除冰过程，提升表面除冰效率。
图1. (a)制备多功能超疏水复合膜的示意图。(b)多功能超疏水复合膜的水CA和水SA。(c)多功能超疏水复合膜的防水性能。
图2. (a, b) LIG导电网络的微观结构。(c, d) LIG/CNTs复合导电网络的微观结构。(e, f) PDMS/ SiO2超疏水表面的微观结构。(g) PI/CNTs的XPS特性。(h) LIG/CNTs的XPS特性。(i) PI/CNTs和LIG/CNTs的拉曼光谱。
图3. (a)不同温度下薄膜结冰延迟时间的变化。(b)不同温度下结冰过程的照片。
图4. (a)不同外加电压下薄膜温度的变化。(b) 5 V电压激励下对应的温度分布图像。(c) 5v电压激励下的电热除冰过程。
图5.(a)薄膜电阻随温度的变化。(b) 23◦C水滴接近50◦C膜时膜电阻的变化。(c) 23◦c水滴接近−10◦c膜时膜电阻的变化。(d)不同膜温下结冰过程中膜阻力的变化。(e)不同水滴温度下结冰过程中膜阻的变化。(f)不同水滴体积下结冰过程中膜阻力的变化。
图6.(a)多功能超疏水复合膜结冰和除冰全过程照片。(b)多功能超疏水复合膜在结冰和除冰整个过程中的电阻变化。
综上所述，采用CO2激光烧蚀技术与喷涂工艺相结合，制备了具有综合防冰、除冰和冰监测性能的多功能超疏水复合膜。具有微纳凸结构，其CA达到155.3◦，SA低至3.1◦，具有优异的超疏水性。在−20◦C时，结冰延迟时间可达4.0 min。利用LIG/CNTs复合导电网络优异的电热特性，多功能超疏水复合膜具有高效除冰的能力。当施加5 V电压时，薄膜温度在90s内从−20℃上升到107℃。特别是得益于LIG/CNTs复合导电网络的感温特性，可以通过多功能超疏水复合膜的电阻变化，实时监测不同体积和温度下水滴结冰和除冰的全过程。从而有助于实现高效可控的地表除冰。
相应的成果以“Multifunctional superhydrophobic composite film with icing monitoring and anti-icing/deicing performance”为题发表在Composites Science and Technology上，文章通讯作者为杨超副教授。
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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。
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