天津工业大学张松楠副研究员Chemical Engineering Journal：超疏水磁响应织物加热器，具有三重热转换，全天候防冰/除冰
引用格式：
Li G ,Wang X ,Zhang D , et al.Superhydrophobic magnetically responsive fabric heater with triple thermal conversion for all-weather anti-icing/deicing[J].Chemical Engineering Journal,2024,500156674-156674.
将创新技术融入功能性织物中，扩展了其实用性，并解决了织物结冰带来的日常挑战。确定有效的防冰/除冰策略对于减轻相关不便至关重要。本研究以聚吡咯（PPy）、Fe3O4颗粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）为原料，设计了具有光热/电热和电磁感应热功能的全天候防冰除冰功能织物PDMS/Fe3O4/PPy@PET。该功能织物具有良好的疏水性能，接触角为152°，在10℃冷台上可有效延缓液滴冻结181 s。在1个光照强度下，光热效应可达到74.3℃的平衡温度，并在841 s内融化3mm厚的冰层。在10v电压下电热性能达到72.2℃，在1436 s内融化。优异的电磁感应热学性能，在8v电压下5min可达到71.4℃，444 s即可完全融化冰层。此外，织物提供优异的耐久性，耐磨性和抗紫外线，允许长期户外使用。这为抗冰、除冰功能织物的开发开辟了新的思路。
图1.功能织物PDMS/ Fe3O4/PPy@PET的概念和性能：防冰/憎冰、光热、电热和电磁感应热性能，功能织物在特殊服装和帐篷中的潜在应用。
图2.（a-l）织物的SEM图像和三维表面粗糙度：（a-c） PET, (d-f) PPy@PET, (g-i) Fe3O4/PPy@PET, (j-l) PDMS/ Fe3O4/PPy@PET。
图3. （a-b） 1个太阳强度下PET、PPy@PET、Fe3O4/PPy@PET和PDMS/ Fe3O4/PPy@PET的温度变化曲线和平衡温度图像。(c) PET、PPy@PET、Fe3O4/PPy@PET和PDMS/ Fe3O4/PPy@PET的吸收光谱。（d-e） PDMS/ Fe3O4/PPy@PET在不同光强下的温度变化曲线和平衡温度图像。(f) PDMS/ Fe3O4/PPy@PET光敏性能图。
图4. (a) PET、PPy@PET、Fe3O4/PPy@PET和PDMS/ Fe3O4/PPy@PET的表面润湿性。(b)液滴（10 μL）在PPy@PET和PDMS/ Fe3O4/PPy@PET表面的冻结过程和时间。(c) PET、PPy@PET、Fe3O4/PPy@PET和PDMS/Fe3O4/PPy@PET表面冰的粘附强度及PPy@PET和PDMS/ Fe3O4/PPy@PET表面冰的冻结时间。(d) PDMS/ Fe3O4/ PPy@PET表面光热/电热和电磁感应热除冰示意图。
图5. (a) 1太阳强度下PPy@PET和PDMS/Fe3O4/PPy@PET表面光热除冰过程图像。(b) 10 V时PPy@PET和PDMS/ Fe3O4/PPy@PET表面电热除冰过程图像。(c) 7、8、9、10 V电磁感应强度下PDMS/ Fe3O4/PPy@PET表面电磁感应热除冰过程图像。图中液滴的体积均为10 μL。
图6. （a - c） PDMS/ Fe3O4/PPy@PET表面冰层融化过程及时间：(a) 1次太阳照射下；(b)在10v时；(c)在8v电磁感应下。（d-e） PET和PDMS/ Fe3O4/PPy@PET的自清洁性能。(f)若干次除冰循环后PDMS/ Fe3O4/PPy@PET表面润湿性变化。(g) PDMS/ Fe3O4/PPy@PET在不同摩擦循环下的润湿性变化。(h) PDMS/ Fe3O4/PPy@PET在UV照射下的润湿性变化。
本研究成功开发了一种具有防冰和多功能除冰性能的多功能织物，是全天候冰管理应用的理想选择。其光热性能优异，PDMS/ Fe3O4/PPy@PET织物在250-2500 nm范围内吸收90%以上的阳光，在1个太阳照射下80 s内达到74.3℃的平衡温度。样品的电热响应迅速，在10 V时瞬时达到72.2℃，在16 V时瞬时达到117℃。电磁感应热在8v电压下5min最高温度可达71.4℃，在10v电压下最高温度可达94℃。样品疏水表面的接触角为152◦，促进了空气的捕获，使水滴的冻结延迟了181 s。在8 V电磁感应电压下，冰层融化速度快，在444 s内完全溶解。这种织物还具有自清洁性能、耐用性、耐磨性和抗紫外线性，适合长期使用。这种多功能织物的生产特点是原材料易于获取，制造过程简单，具有环保和节能的性质，确保了广泛的环境适应性。这项研究成功地证明了三热模式在解决柔性材料除冰挑战方面的潜力。同时，我们认识到电能消耗可能对大面积应用的可扩展性构成挑战，这促使我们在未来的工作中优化能源效率。我们相信，这些努力将有助于开发更可持续的除冰解决方案，从而激发反冰和除冰领域的进一步创新。
相应的成果以“Superhydrophobic magnetically responsive fabric heater with triple thermal conversion for all-weather anti-icing/deicing”为题发表在Chemical Engineering Journal上，文章的通讯作者为张松楠副研究员。
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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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