西北工业大学陈强教授Composites Science and Technology：一种基于Fe3O4@MSN-PDMS的超疏水复合涂层，具有疏冰性、长期耐久性和自愈性，可用于防/除冰
引用格式：
Deng L, Wang Z, Wu J, et al. A superhydrophobic Fe3O4@ MSN-PDMS based composite coating with icephobicity, long-term durability and self-healing property for anti-/de-icing[J]. Composites Science and Technology, 2024: 110937.
结冰是各个领域普遍存在的现象，往往会导致灾难性的后果。尽管已经开发了许多防冰涂层策略，但在开发具有耐用和有效防/除冰性能的防冰涂层的道路上仍然存在许多障碍。本研究采用中孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）原位包覆Fe3O4，并在其表面负载高剂量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。将获得的核壳Fe3O4@MSN-PDMS骨料加入到有机硅树脂中，通过喷涂方法构建近红外响应的防/除冰涂层。制备的涂层具有超疏水性（156.7°的水接触角），并且在-20°C下将结冰时间延迟到412 s。此外，制备的涂层在近红外照射下可以加热释放PDMS，形成PDMS/水双层润滑剂，冰的粘附强度从90.60 kPa显著降低到12.04 kPa。此外，制备的涂层具有自修复性能和高耐久性，可以持续释放涂层中储存的PDMS来修复受损的涂层表面，并在化学蚀刻和机械侵蚀后保持超疏水性。最后，利用自制的旋翼模型验证了涂层的除冰适用性。这种核壳型防除冰材料将为防除冰材料的开发和应用提供理论依据和全新的设计策略。
图1. (a) Fe3O4@MSN的SEM图像；(b) Fe3O4@MSN-PDMS。(c) Fe3O4@MSN的TEM图像；(d) Fe3O4@MSN-PDMS。(e) FT-IR光谱。(f) Fe3O4@MSN的N2吸附-脱附等温线。(g) Fe3O4@MSN-PDMS的N2吸附-解吸等温线；(h)为Fe3O4@MSN和Fe3O4@MSN-PDMS的比表面积、平均孔径和总孔容。
图2. 不同Fe3O4@MSN-PDMS含量的FMP复合涂层表面形貌。(a) 10wt%；(b) 20%wt%；(c) 30%wt%；(d) 40%wt%；(e) 50%wt%；(f) 60%wt%。(g) FMP涂层的表面粗糙度。(h)水接触角和滚转角；（一）冻结时间；(j)裸铝基材和FMP复合涂层的结冰率。
图3. (a) FMP涂层和裸铝基材的实际表面温度随近红外辐照时间的变化关系。(b)近红外开/关时FMP-50表面温度循环曲线；(c)近红外辐照前后FMP涂层与裸铝基材的冰附强度。(d)近红外辐照下FMP-50的表面形貌变化。(e)光热除冰过程中不同时间FMP涂层和裸铝基板的光学图像。
图4. 自组装旋翼装置裸基板上冰层和FMP-50涂层除冰阶段示意图及相应光学图像，包括成冰、旋转3min、近红外辐照下再旋转3min。
图5. FMP涂料防/除冰机理示意图。
综上所述，通过溶胶-凝胶法制备了Fe3O4 NPs，并将PDMS加载到制备的Fe3O4 @MSN-PDMS颗粒上，然后通过一步喷雾法将Fe3O4 @MSN-PDMS掺入到有机硅树脂基体中，成功制备了超疏水防冰FMP涂层。由于Fe3O4 @MSN-PDMS颗粒的微纳尺度结构和低表面能，FMP-50涂层表现出超疏水性（WCA为156.70±0.93°，RA为3.87±0.77°）。此外，FMP涂层表现出优异的防冰性能：当温度从-5℃降至-20℃时，冻结时间从3968 s降至412 s。在近红外辐射下，Fe3O4芯产生热量，释放储存在介孔中的PDMS，形成PDMS/水双层润滑剂，导致冰的粘附强度显著降低。值得注意的是，FMP涂层在化学侵蚀和严重机械磨损等破坏性试验中表现出良好的耐久性和自愈性能，并在试验后保持了超疏水性。最后，在动态模式下展示了FMP-50涂层旋翼的快速除冰，证明了该材料适用于恶劣操作条件下设备的长期防冰改造。
原文链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.11093相应的成果以“A superhydrophobic Fe3O4@MSN-PDMS based composite coating with icephobicity, long-term durability and self-healing property for anti-/de-icing”为题发表在Composites Science and Technology上，文章通讯作者为西北工业大学陈强教授。
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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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