山东大学赵海滨教授CEJ：超疏水多壁碳纳米管/环氧涂层的超光热/电热响应及防冰/除冰性能

引用格式：

Guo Y, Zhao H, Zhang C, et al. Super photothermal/electrothermal response and anti-icing/deicing capability of superhydrophobic multi-walled carbon nanotubes/epoxy coating[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 497: 154383.

风力涡轮机叶片积冰严重威胁风力涡轮机的效率和安全，迫切需要通过有效的防冰/除冰策略来解决。本研究开发了一种超疏水多壁碳纳米管/环氧防冰涂料。通过整合MWCNTs的超疏水性能，涂层表现出超光热和电热响应，是全天候防冰/除冰应用的理想选择。MWCNTs/环氧树脂比例为1:4的超疏水涂层的CA为154.3°，SA为5.7°。在1.5太阳和25V下，超疏水涂层的温度分别提高到45.4℃（300s）和89.5℃（200s）。该涂层静态延迟霜时间为1790s，分别实现了光热快速除霜（1.5太阳，237s）和电热快速除霜（25V, 35s）。此外，它显示延迟结冰时间在-10℃，-15℃和-20℃分别为988s，579s和264s。该涂层具有光热快速除冰（1.5太阳，175s）和电热快速除冰（25V, 65s）的良好性能。超疏水涂层通过光热和电热刺激将冰滴融化成水滴后恢复Cassie-Baxter状态。此外，即使在低温潮湿环境下，超疏水涂层也表现出优异的动态防冰性能。

图1. 超疏水涂层的制备和应用示意图(a)，光热响应和电热响应的全天候防冰/除冰超疏水涂层(b)，即在日光充足的白天可以通过光热转换进行防冰和除冰，在阴天和光线不足的夜晚可以通过电热转换进行防冰和除冰。

图2. 同比例的MWCNTs/环氧复合材料的SEM图像(a)-(e)、三维形貌和二维线条轮廓(f)-(j)、(k)-(o)AFM图像和线条轮廓。

图3. 不同环氧树脂含量涂层的表面粗糙度统计(a)，CA和SA(b)。横向拖拽(c)和纵向挤压(d)后液滴离开行为的照片，超疏水表面液滴的粘附力(e) (1:4)，5μl液滴在超疏水表面（1:4）连续反弹11次(f)。

图4. 超疏水表面（1:4）的自洁效果(a)、水流反射(b)和阻力(c)。超疏水表面被浸入水中后的外观(d)。超疏水表面在不同PH溶液中的外观(e)，CA和SA(f)。超疏水表面的耐磨性(g)和粘附性(h)。铝合金，CFRTP和木材表面有或没有超疏水涂层的润湿行为(i)。超疏水涂层在不同表面的附着力等级(j)。

图5. 吸收随光波长变化(a)。不同光强下的温升曲线(b)和红外热像图(c)。1个太阳下5次光热和冷却循环的稳定性(d)。电导率效果图和伏安特性曲线(e)。不同输入电压下的温升曲线(f)和红外热像图(g)。25V下5个电热和冷却循环的稳定性(h)。超疏水表面的光热和电热响应统计(i)。

图6. 有和没有超疏水涂层的表面的静态延迟霜性能(a)。1.5太阳下的光热除霜过程(b)。输入电压为25V的电热除霜过程(c)。

图7. 不同温度下的静态延迟结冰性能(a)、装置(b)和结冰时间(c)。亲水和超疏水表面的传热模型(d)。超疏水表面的静态结冰机理示意图(e)。

图8. 1.5太阳(a)下的光热除冰过程和25V(b)下10μl冰滴的电热除冰过程。超疏水表面冰融化机理示意图(c)。大面积自然除冰过程(d)和超疏水表面25V快速除冰过程(e)。

图9. 在-20℃条件下，有超疏水涂层和没有超疏水涂层的冰附着强度(a)。在20次结冰-电热除冰循环下，超疏水涂层的除冰时间(b)。无(C)和有超疏水涂层的玻璃板表面在动态条件下的结冰行为(d)。风机叶片模型以3000r/min转速运行2h后的积冰面积(e)。风机叶片模型表面在25V下的快速除冰过程(f)。

总结与展望

综上所述，本研究制备了具有超疏水、光热和电热性能的MWCNTs/环氧涂层，用于全天候防冰/除冰应用。MWCNTs/环氧涂层（1:4）的水CA和SA分别为154.3°和5.7°。暴露在0.5太阳、1太阳、1.5太阳和2太阳强度下300秒后，表面温度分别增加到33.7℃、39℃、45.4℃和52.4℃。同样，施加15V，20V，25V和30V电压200s导致温度增量分别达到42.1℃,56.1℃,89.5℃和108.7℃。MWCNTs/环氧涂层的静态延迟结霜时间为1790s。在1.5太阳和25V条件下，除霜时间分别为237s和35s。MWCNTs/环氧涂层在-10℃、-15℃和-20℃下的静态延迟结冰时间分别为988s、579s和264s。在1.5个太阳下，冰滴在175s内完全融化，在25V下，冰滴的除冰时间进一步缩短至65s。该超疏水涂层在模拟自然环境下也表现出优异的动态防冰性能。这项工作证明了具有光热/电热响应的超疏水MWCNTs涂层在防冰/除冰中的可行性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154383

相应的成果以“Super photothermal/electrothermal response and anti-icing/deicing capability of superhydrophobic multi-walled carbon nanotubes/epoxy coating”为题发表在Chemical Engineering Journal上，文章通讯作者为山东大学赵海滨教授。

END

图文来源：刘宇杰

责任编辑：贾洋洋

审核：何强、许渊

投稿邮箱：[email protected]

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。