低成本生物基光热疏水涂层的开发及其防冰性能研究

《Advanced Materials Interfaces》：Affordable Biogenic Anti-Icing Surfaces

本文报道了一种基于椰壳炭的生物基光热疏冰涂层，通过调控炭颗粒粒径（90–250 μm）和疏水剂（蜂蜡提取物BW等）实现高效光热转换（3分钟内升温20°C）与疏水性能（接触角130°，滑动角8°）。该研究为绿色防冰材料提供了简单、可规模化且环保的解决方案（PSM），在交通、能源等领域具有应用潜力。

　　

摘要

本研究开发了一种低成本生物基光热防冰涂层，其核心材料为椰壳制成的炭颗粒。通过将炭颗粒研磨至不同粒径（<90 μm至>600 μm）并利用环氧树脂固定在玻璃基板上，再使用菜籽油（RO）、角鲨烯（SQ）、蜂蜡提取物（BW）或商业烷烃类脱模剂（RS）进行疏水处理，成功构建了具有光热转换功能的疏水表面。结果表明，粒径为90–250 μm的炭颗粒可实现最佳疏水性能，而粒径对光吸收影响较小。其中，BW涂层表现最优，接触角达130°，滑动角为8°。所有涂层在模拟日光下3分钟内表面温度从25°C升至45°C以上，且BW涂层具备自清洁特性。本研究采用的材料与工艺成本低廉、易于获取，为规模化生产环保型防冰涂层提供了新思路。

1 引言

冰积聚在表面会对交通、电力、通信及新能源等领域造成严重问题。传统防冰方法如主动加热、化学除冰和机械清除均存在能耗高、污染大或操作复杂等缺点。光热超疏水材料（PSM）结合了疏水性与光热转换能力，通过吸收太阳光产生热量防止结冰，成为新兴解决方案。碳材料（如石墨烯、碳纳米管等）因其优异的光吸收性能被广泛研究，但现有PSM多依赖含氟或硅基化合物，存在环境风险。生物基材料因其可持续性和低毒性受到关注，但相关研究仍较少。本研究基于椰壳炭的粗糙结构、光吸收特性及生物基疏水剂（如BW、RO等），开发了一种全生物基PSM，旨在解决现有技术的可扩展性与环境兼容性问题。

2 结果与讨论

炭颗粒表征与涂层制备

椰壳炭经研磨筛分后获得不同粒径分布（90–250 μm、250–300 μm、300–425 μm、425–600 μm及>600 μm）。扫描电镜显示颗粒表面光滑、边缘锐利（图1a），粒径分布符合对数正态分布（图1b）。炭颗粒通过环氧树脂固定在玻璃表面（图2a），单位面积负载量随粒径增大而增加（>600 μm时达56 mg cm^?2）。疏水剂通过丙酮溶液涂覆并蒸发成型，FT-IR光谱证实了涂层成功负载（图3a）。热重分析显示，RS与SQ涂层保留率较高（40 wt.%），而BW和RO因含酯基与炭基底结合更紧密（保留率7 wt.%）。

疏水性能与光热转换

表观静态接触角（θ）测试表明，未涂层炭表面亲水，而BW和RS涂层θ最高（约130°），RO和SQ涂层θ低于120°（图4a）。粒径为90–250 μm时，所有涂层均表现最佳疏水性。滑动角（α）测试中，BW涂层在粒径<90 μm时α=8°，90–250 μm时α=9°，接近超疏水材料标准（θ>150°且α<10°），而RO和SQ涂层α>15°。BW涂层在-21°C低温下仍能有效排斥水滴，且经水流冲刷1分钟后无损伤（图4f）。

光热实验中，所有涂层在10000 lx光照下3分钟内升温超过20°C，BW涂层效率达59%（公式1）。炭颗粒的光吸收主要集中于300–350 nm波段，涂层种类对光热转换效率无显著影响。

防冰性能与耐久性

BW涂层在-21°C环境下延迟水滴冻结时间至1020–1050秒，远超玻璃（262秒）和铝基板（195秒）（图6b）。冰粘附强度测试中，BW涂层仅50 kPa，低于100 kPa的冰phobic阈值（图6c），但冰脱落时可能带走部分炭颗粒。循环光照实验证明BW涂层光热稳定性良好（图7a）。石英砂磨损测试后θ仅下降7°，但机械抗刮擦性较弱。自清洁实验中，BW涂层表面沙粒可被水流轻松清除（图7c），展示了实际应用潜力。

3 结论

椰壳炭基生物涂层中，90–250 μm粒径与BW疏水剂组合综合性能最优，兼具高疏水性（θ=130°、α<10°）、高效光热转换（η=59%）及低冰粘附（50 kPa）。材料具备自清洁性与循环稳定性，且原料成本低、环境友好。尽管机械强度需进一步提升，但本研究为绿色防冰涂层的规模化应用提供了可行路径。

4 实验部分

材料包括椰壳炭、环氧树脂（Araldite Rapid）及生物疏水剂（BW、RO、SQ等）。炭颗粒经研磨筛分后固定在涂有环氧树脂的玻璃上，疏水剂通过丙酮溶液涂覆并干燥。表征手段涵盖SEM、FT-IR、TGA、接触角测量、光热测试及冰粘附强度分析。所有实验在室温或可控低温环境下进行，数据取三次重复平均值。