光熱超疏水材料的制備與防、除冰性能研究

謝震廷，王宏，2，朱恂，2，陳蓉，2，丁玉棟，2，廖強(qiáng)，2

（1 重慶大學(xué)工程熱物理研究所，重慶400044； 2 重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

引 言

結(jié)冰作為一種客觀(guān)的自然現(xiàn)象，在航空航天、交通運(yùn)輸、電力通信等領(lǐng)域給人類(lèi)生產(chǎn)、生活帶來(lái)眾多不便和危害。據(jù)報(bào)道[1]僅2008年發(fā)生在中國(guó)南方的冰凍災(zāi)害就造成了電力、通信、運(yùn)輸?shù)炔块T(mén)的癱瘓，受災(zāi)人數(shù)超過(guò)1 億，直接經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)1500多億人民幣。因此解決戶(hù)外設(shè)備表面結(jié)冰問(wèn)題成為戶(hù)外設(shè)備在冬季持久穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

傳統(tǒng)的除冰方法[2-4]，如機(jī)械除冰、熱能除冰、化學(xué)試劑除冰等，具有作業(yè)危險(xiǎn)、成本高、效率低、環(huán)境不友好等諸多局限性，且難以從根本上有效解決覆冰難題。而防結(jié)冰[5-6]材料除冰作為一種被動(dòng)除冰方法，具有能耗低、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)成為眾多學(xué)者關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

利用荷葉自清潔效應(yīng)[7]制備的超疏水材料因具有優(yōu)異的疏水性能，使液滴在結(jié)冰前就脫離壁面，具有一定的防結(jié)冰性能[6,8]。此外，超疏水材料微納復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部空穴的存在會(huì)阻礙熱量傳遞，起到延遲結(jié)冰的作用[9-11]。且微納復(fù)合結(jié)構(gòu)也會(huì)減小冰與壁面之間的黏附力[12-13]，從而使得覆冰黏附力變小，積冰容易在重力、風(fēng)、振動(dòng)作用下去除，因此超疏水材料被認(rèn)為是一種理想的防結(jié)冰材料[9-14]。然而由于自然界結(jié)冰條件比較復(fù)雜，超疏水表面在極端環(huán)境條件下會(huì)在微結(jié)構(gòu)內(nèi)結(jié)霜[15]，最終大面積結(jié)冰。在超疏水微結(jié)構(gòu)內(nèi)形成冰時(shí)會(huì)加大冰與壁面之間的黏附力[16]，多次結(jié)冰除冰后會(huì)使表面微結(jié)構(gòu)破壞從而失去超疏水性能。但即便如此，超疏水表面因?yàn)榻Y(jié)冰黏附力低、結(jié)冰延遲時(shí)間長(zhǎng)仍具有一定的防結(jié)冰性能[17-21]。

近幾年學(xué)者們提出新一代的防結(jié)冰材料應(yīng)該具有優(yōu)異的防結(jié)冰和除冰性能[22-32]。其中太陽(yáng)能作為自然界最清潔的可再生能源，利用太陽(yáng)能加熱表面的水或冰，延緩冰的形成或者直接融化積冰是太陽(yáng)能利用的新方式之一[23-30]，有望能夠解決戶(hù)外設(shè)備表面積冰問(wèn)題。2015 年，Yin 等[22]在薄膜中加入Fe3O4顆粒，在近紅外光照下實(shí)現(xiàn)冰層融化，首次證明使用光熱涂層進(jìn)行防冰和除冰的可行性。隨后，Jiang 等[23]利用噴涂法制備光熱超疏水涂層，實(shí)現(xiàn)超疏水防結(jié)冰和近紅外光熱除冰的結(jié)合。近期也有眾多學(xué)者[24-32]開(kāi)展光熱除冰的相關(guān)研究工作，然而如何快速制備具有全光譜光熱效應(yīng)的光熱超疏水材料仍需進(jìn)一步研究。

基于此，本文利用模板法[33]制備了一種具有全光譜響應(yīng)的光熱超疏水材料，并研究其防除冰性能和光熱轉(zhuǎn)換性能。利用紅外熱像儀測(cè)量表面在模擬太陽(yáng)光照條件下的溫升以獲得材料的光熱轉(zhuǎn)換性能，通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)察單個(gè)液滴在光熱超疏水表面上的結(jié)冰與融化過(guò)程，以獲得材料的防結(jié)冰與光熱除冰性能。本文研究結(jié)果為防除冰技術(shù)提供一種新的思路。

1 材料制備與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

三氧化二鈦(Ti2O3，99.9%，100 目)粉末由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，聚二甲基硅氧烷(PDMS，SYLGARD184 含固化劑)由蘇州研材微納科技有限公司提供，實(shí)驗(yàn)時(shí)未對(duì)其進(jìn)行任何處理。結(jié)冰過(guò)程和潤(rùn)濕性能測(cè)試中采用的去離子水均由實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 材料制備

實(shí)驗(yàn)利用模板法[33]制備了具有規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的普通超疏水表面和光熱超疏水表面。由于PDMS 具有一定的疏水性和柔韌性，被廣泛應(yīng)用于復(fù)刻表面結(jié)構(gòu)[34]，因此在材料制備時(shí)選取PDMS 作為溶劑。而光熱材料選用具有全光譜光熱響應(yīng)的Ti2O3[35]。材料制備過(guò)程如圖1 所示。按質(zhì)量比為10∶1∶3 分別稱(chēng)取PDMS(10 g)、固化劑(1 g)和Ti2O3(3 g)粉末，充分?jǐn)嚢杈鶆颍M(jìn)行抽真空處理，去除溶劑內(nèi)部的氣泡，得到含有光熱材料的光熱溶劑。用注射器將光熱溶劑填充到有一定微柱陣列結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯(PTFE)模板上，并在石墨加熱板上100℃恒溫固化1 h，最后分離PDMS 和PTFE 模板，得到具有和PTFE模板陣列結(jié)構(gòu)相反的光熱超疏水表面(photothermal superhydrophobic surface，PT@SHS)。同理，直接將PDMS 和固化劑的混合溶劑填充到PTFE 模板上，得到普通超疏水表面(superhydrophobic surface，SHS)，以此作為對(duì)照樣品。

圖1 表面制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of surface preparation

1.3 材料表征

利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM；SU8020，日本日立)觀(guān)測(cè)樣品表面的微觀(guān)形貌，工作電壓為3 kV。利用動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x(XG-CAMC33，上海軒軼創(chuàng)析工業(yè)設(shè)備有限公司)測(cè)量表面接觸角(water contact angle，WCA)和滾動(dòng)角(water roll angle，RA)，具體是將測(cè)試樣品放在樣品臺(tái)上，用量程為10 μl的移液槍將5 μl大小的液滴滴放在測(cè)試樣品上，測(cè)得表面靜態(tài)接觸角。通過(guò)傾斜樣品臺(tái)，記錄液滴滾落時(shí)樣品臺(tái)的傾斜角度獲得滾動(dòng)角。每個(gè)測(cè)試重復(fù)5 次取平均值，測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度(25±1)℃，濕度60%±5%。樣品表面的光熱溫升性能由紅外熱像儀(FLIR,USA,SC325)測(cè)量得到，取表面溫度的平均值。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

利用實(shí)驗(yàn)室搭建的光熱防除冰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行防結(jié)冰實(shí)驗(yàn)與光熱除冰實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，具體由制冷系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)等組成。制冷系統(tǒng)主要是由半導(dǎo)體制冷臺(tái)組成，其溫度范圍為0～-50℃，精度為±0.5℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)表面溫度為-10℃。利用氮?dú)饨M成的濕度控制系統(tǒng)，將可視化觀(guān)測(cè)腔體內(nèi)的環(huán)境濕度控制在20%以下，減少環(huán)境濕度過(guò)大造成結(jié)霜對(duì)結(jié)冰過(guò)程帶來(lái)的影響[15]。光源系統(tǒng)主要由模擬太陽(yáng)光源和LED 面光源組成，其中模擬太陽(yáng)光源為氙燈(CEL-HXF300，北京中教金源科技有限公司)，實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)整其出光口與實(shí)驗(yàn)表面之間的距離為50 cm，用光功率計(jì)測(cè)得光功率為100 mW/cm2；LED 面光源主要為CCD 相機(jī)拍攝時(shí)補(bǔ)光，其功率密度為5 mW/cm2，因此可忽略其對(duì)結(jié)冰和除冰過(guò)程的影響?？梢暬到y(tǒng)包括CCD 相機(jī)和LED 面光源，實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定相機(jī)拍攝幀率為20幀/秒。

圖2 可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of visual experiment system

實(shí)驗(yàn)時(shí)先用移液槍將10 μl 的去離子水滴放在實(shí)驗(yàn)表面，然后打開(kāi)氮?dú)馊肟陂y門(mén)，控制可視化腔體內(nèi)的濕度在20%以下，關(guān)閉氮?dú)狻Ｔ俅蜷_(kāi)半導(dǎo)體制冷平臺(tái)，開(kāi)始降溫，當(dāng)表面溫度達(dá)到0℃時(shí)，打開(kāi)CCD 相機(jī)開(kāi)始拍攝，最終將實(shí)驗(yàn)表面溫度維持在-10℃，直至液滴完全凍結(jié)，完成結(jié)冰過(guò)程。在光熱除冰過(guò)程中，制冷臺(tái)表面溫度維持在-5℃，打開(kāi)模擬太陽(yáng)光源開(kāi)始融冰，融化時(shí)同樣用CCD 相機(jī)記錄冰滴在表面的融化過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面微觀(guān)形貌

以具有50 μm×50 μm×50 μm 規(guī)則微柱陣列的PTFE為模板，利用模板法成功制備了具有規(guī)則凹坑陣列微結(jié)構(gòu)的光熱超疏水表面和普通超疏水表面，通過(guò)掃描電子顯微鏡獲得的微觀(guān)形貌如圖3 所示。微觀(guān)結(jié)構(gòu)表明，普通超疏水材料與光熱超疏水材料具有相同的微柱陣列結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閺?fù)刻時(shí)采用了相同的PTFE 模板。此外，對(duì)于光熱超疏水表面而言，由于在固化時(shí)溶劑中加入了Ti2O3粉末，其斷面圖與普通超疏水表面的斷面圖相比較為粗糙，這是因?yàn)樵谌軇┲杏蠺i2O3粉末，如圖3(b)右側(cè)斷面圖中白色虛線(xiàn)框所示。而對(duì)于普通超疏水表面，PDMS溶劑在固化時(shí)內(nèi)部無(wú)Ti2O3粉末，因此其斷面圖較為光滑，如圖3(a)右側(cè)斷面圖所示。

圖3 表面微觀(guān)形貌和液滴接觸角圖像Fig.3 SEM and WCA image of SHS(a)and PT@SHS(b)surfaces

2.2 潤(rùn)濕性能表征

利用接觸角和滾動(dòng)角來(lái)表征材料的潤(rùn)濕性能，接觸角和滾動(dòng)角是在室溫條件下利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量獲得，結(jié)果如表1 所示(其中液滴在表面的接觸角圖像如圖3 中插圖所示)。接觸角的大小說(shuō)明材料的疏水性能，而滾動(dòng)角的大小說(shuō)明液滴在表面滾落的難易程度[36]。接觸角越大，滾動(dòng)角越小，液滴越容易從表面脫離，說(shuō)明材料疏水性能越優(yōu)異。由表1 可知，普通超疏水表面和光熱超疏水表面的接觸角均大于150°，而滾動(dòng)角小于10°，說(shuō)明表面具有很好的疏水性能。

表1 室溫條件下不同樣品的接觸角和滾動(dòng)角Table 1 Water contact angle and roll angle on various samples at room temperature

2.3 表面光熱轉(zhuǎn)換性能

現(xiàn)有研究表明,Ti2O3材料在全光譜范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的吸光能力[35]，因此作為本研究中的光熱材料。首先研究了材料在1 個(gè)太陽(yáng)光照(100 mW/cm2)條件下的溫升效果，圖4 所示為紅外熱像儀測(cè)量獲得的普通超疏水表面和光熱超疏水表面在模擬太陽(yáng)光照射時(shí)的溫升圖像。從圖4(a)中可以看出，隨著光照時(shí)間的增加，普通超疏水材料表面溫度幾乎不會(huì)發(fā)生變化。而對(duì)于光熱超疏水材料，隨著光照時(shí)間的增加，其表面溫度也逐漸增加，且表面溫度分布出現(xiàn)中心偏高、邊緣偏低的趨勢(shì)，如圖4(b)所示。一方面是因?yàn)槟M氙燈提供的是點(diǎn)光源而非平行面光源，從而導(dǎo)致表面上的光功率密度有差異；另一方面是因?yàn)楣鉄岜砻孢吘壩恢门c環(huán)境之間的換熱強(qiáng)于中心位置與環(huán)境之間的換熱，因此導(dǎo)致表面溫度分布出現(xiàn)中心偏高、邊緣偏低的趨勢(shì)。

圖4 1個(gè)太陽(yáng)光照條件下普通超疏水表面(a)和光熱超疏水表面(b)紅外熱像儀圖像Fig.4 FTIR image of SHS(a)and PT@SHS(b)surface under 1 sun illumination conditions

隨后對(duì)表面溫度進(jìn)行提取，并取表面溫度的平均值進(jìn)行繪圖，如圖5(a)所示。發(fā)現(xiàn)在1個(gè)太陽(yáng)光照條件下，2 min內(nèi)光熱超疏水表面溫度可從27℃上升到55℃，溫升近30℃。而對(duì)于普通超疏水表面，在相同的光照條件下溫度上升很小，溫升僅有3℃，這表明光熱超疏水材料具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。從圖5(a)也可以看出，當(dāng)氙燈光源打開(kāi)時(shí)光熱表面能夠快速響應(yīng)且溫度逐漸升高，而當(dāng)光源關(guān)閉時(shí)，表面溫度也隨之快速下降，表明材料具有優(yōu)異的光響應(yīng)靈敏性。為了進(jìn)一步表征光熱超疏水材料光熱性能的穩(wěn)定性，分別進(jìn)行了短期和長(zhǎng)期的光熱性能測(cè)試，如圖5(b)所示。在T1 測(cè)試周期中，單次測(cè)試時(shí)間間隔為10 min，通過(guò)3 次測(cè)試發(fā)現(xiàn)在光照2 min 后表面溫度穩(wěn)定在（54.20±0.44）℃，證明材料短期光熱性能的穩(wěn)定性。而考慮實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了長(zhǎng)期測(cè)試，制備的材料在10 個(gè)月后的光熱性能如圖5(b)T2測(cè)試周期所示。在T2測(cè)試周期中，同樣通過(guò)3次測(cè)試發(fā)現(xiàn)在光照2 min后表面溫度穩(wěn)定在（53.32±0.41）℃，與T1周期的溫度差別較小。以上結(jié)果表明制備的光熱超疏水材料具有長(zhǎng)期的光熱穩(wěn)定性能。

圖5 表面平均溫度隨著時(shí)間的變化Fig.5 The change of surface average temperature of different materials with time

2.4 光熱防結(jié)冰性能

為了表征光熱超疏水材料的防結(jié)冰性能，利用如圖2 所示的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)兩種材料分別進(jìn)行有光和無(wú)光照時(shí)的結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。通過(guò)結(jié)冰圖像發(fā)現(xiàn)，在初始時(shí)刻液滴均為透明狀態(tài)，隨著時(shí)間增加，液滴在某時(shí)刻出現(xiàn)復(fù)輝現(xiàn)象，隨后冰層從底面向上生長(zhǎng)，最終在液滴尖端形成“桃尖狀”形態(tài)，完成結(jié)冰。定義結(jié)冰延遲時(shí)間為從表面溫度為0℃到復(fù)輝(液滴變渾濁)的這一時(shí)間段。結(jié)冰延遲時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明液滴在壁面上越不容易結(jié)冰，液滴越有可能在施加較小外力的情況下從表面移除，越有利于防結(jié)冰[37]。

通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)冰延遲時(shí)間，如圖7所示。結(jié)合圖6 的可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖7 統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到：在無(wú)光照時(shí)普通超疏水表面的結(jié)冰延遲時(shí)間為(469.61±149.86)s，而光熱超疏水表面的結(jié)冰延遲時(shí)間為(1184.09±195.63) s，是無(wú)光熱材料普通超疏水表面結(jié)冰延遲時(shí)間的3倍。這主要是因?yàn)楣鉄岢杷砻鎯?nèi)部含有Ti2O3光熱顆粒，使光熱超疏水表面材料的熱導(dǎo)率比純PDMS 熱導(dǎo)率小[27]，從而使液滴在單位時(shí)間內(nèi)從基底散失的熱量較小，使得結(jié)冰延遲時(shí)間較長(zhǎng)。隨后開(kāi)展了光照條件下的防結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，可視化結(jié)果如圖6(c)和(d)所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有光照時(shí)普通超疏水表面的結(jié)冰延遲時(shí)間增加至(709.00±109.83) s，大于無(wú)光照時(shí)的結(jié)冰延遲時(shí)間，這主要是因?yàn)槟M太陽(yáng)光源的作用使液滴在結(jié)冰過(guò)程中有外來(lái)熱量的輸入，從而導(dǎo)致結(jié)冰延遲時(shí)間的增長(zhǎng)。而對(duì)于光熱超疏水表面，由于光熱效應(yīng)，在6 h 的結(jié)冰測(cè)試過(guò)程中，液滴仍然沒(méi)有凍結(jié)，如圖6(d)所示。且從圖中發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的增加，液滴體積逐漸減小，這說(shuō)明光熱效應(yīng)導(dǎo)致液滴界面蒸發(fā)加劇，同時(shí)也表明光熱材料產(chǎn)生的熱量足以使液滴保持相對(duì)較高的溫度，從而保持不結(jié)冰狀態(tài)。在光照條件下，由于光熱超疏水材料優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，一方面能夠維持表面溫度大于液滴凍結(jié)溫度，保證液滴不結(jié)冰；另一方面表面溫升會(huì)導(dǎo)致液滴蒸發(fā)，即便是在無(wú)光時(shí)發(fā)生結(jié)冰，其結(jié)冰量也會(huì)減少。上述研究結(jié)果表明，光熱超疏水材料在有光存在的條件下，其防結(jié)冰性能更加優(yōu)異。

圖6 單液滴結(jié)冰過(guò)程中的光學(xué)照片(a)普通超疏水表面無(wú)光照;(b)光熱超疏水表面無(wú)光照;(c)普通超疏水表面有光照;(d)光熱超疏水表面有光照Fig.6 Photography of water droplet during icing process(a)the SHS no light;(b)the PT@SHS no light;(c)the SHS in light;(d)the PT@SHS in light

圖7 不同材料在不同條件下的防結(jié)冰性能Fig.7 Anti-icing performance of different materials under different conditions

2.5 光熱除冰性能

雖然制備的光熱超疏水材料具有優(yōu)異的防結(jié)冰性能，且在光照條件下其防結(jié)冰性能更加優(yōu)異。但是在無(wú)光、低溫、高濕環(huán)境條件下結(jié)冰無(wú)可避免，這就導(dǎo)致材料失去疏水性能使得防結(jié)冰性能下降。因而對(duì)于新一代的防結(jié)冰材料而言，具備防結(jié)冰性能和優(yōu)異的除冰性能就顯得非常重要。前邊的研究已經(jīng)證明制備的光熱超疏水表面具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，因此進(jìn)一步研究了光熱超疏水材料的靜態(tài)光熱除冰性能。

首先將一個(gè)10 μl的液滴放在-10℃的冷壁面上凍結(jié)1 h，確保液滴完全凍結(jié)，隨后打開(kāi)光源進(jìn)行除冰，并用CCD 相機(jī)拍攝融化過(guò)程。如圖8 所示為單個(gè)凍結(jié)液滴在1 個(gè)太陽(yáng)光照條件下的融冰過(guò)程，發(fā)現(xiàn)對(duì)于普通超疏水表面[圖8(a)]，凍結(jié)液滴在光照1000 s后不會(huì)出現(xiàn)融化現(xiàn)象。這是因?yàn)椴牧媳砻鏇](méi)有光熱轉(zhuǎn)換性能，僅光源提供的熱量不足以使冰滴融化。而對(duì)于光熱超疏水材料而言，可以從圖8(b)中清楚地看到，在光照（197.38±52.32）s 后[圖9(a)]，凍結(jié)液滴完全融化為液態(tài)，且從圖8(b)中看出冰滴的融化方向是自下而上的，與文獻(xiàn)[22,24,28]中的結(jié)果一致。此外，分別提取光熱除冰過(guò)程中表面的溫度分布情況，如圖9(b)所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于光熱超疏水表面，在光照55 s后，表面溫度已經(jīng)達(dá)到0℃，此時(shí)凍結(jié)液滴開(kāi)始融化，并在150 s 后完全融化，此時(shí)表面溫度達(dá)4.0℃。而對(duì)于普通超疏水表面而言，在光照600 s 后，表面溫度為-7.9℃，仍低于0℃，因此表面凍結(jié)冰滴未出現(xiàn)融化現(xiàn)象。綜上，結(jié)合圖8 的可視化實(shí)驗(yàn)圖像結(jié)果及圖9 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：融化冰滴的熱量主要來(lái)源于表面光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量，且制備的光熱超疏水材料具有優(yōu)異和穩(wěn)定的光熱除冰性能。

圖8 凍結(jié)冰滴在普通超疏水表面(a)和光熱超疏水表面(b)的融化過(guò)程圖像Fig.8 Photography of icing droplet melting process on SHS(a)and PT@SHS(b)surfaces

圖9 不同材料的光熱除冰性能Fig.9 Photothermal deicing performance of different materials

2.6 自清潔性與耐紫外照射性能

考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，表面會(huì)被污染，因此會(huì)阻礙陽(yáng)光到達(dá)基底，從而降低材料的光熱轉(zhuǎn)換效率。由于超疏水材料具有自清潔效應(yīng)，因此用銅粉顆粒(顆粒尺寸：100、150、200、250、300 目；質(zhì)量比為1∶1∶1∶1∶1 均勻混合而成)作為標(biāo)記物，來(lái)探究光熱超疏水材料的自清潔性能。圖10(a)所示為光熱超疏水材料的自清潔效果圖，從圖中可以看出水滴滴落在超疏水材料上時(shí)，得益于超疏水材料較低的黏附力，水滴可以將黏附在表面的銅粉顆粒帶走，從而保證涂層表面不被污染物覆蓋，因而可以保持優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。圖10(b)所示為紫外燈照射條件下(5 mW/cm2)光熱超疏水材料表面的水滴接觸角圖像。從圖中發(fā)現(xiàn)，隨著紫外燈照射時(shí)間的增加，接觸角大小保持不變，在光照2 h 后，表面接觸角仍高達(dá)153.38°±0.62°，仍然處于超疏水狀態(tài)，因此表明制備的材料也具有優(yōu)異的抗紫外照射性能。

圖10 光熱超疏水材料的自清潔與抗紫外性能測(cè)試Fig.10 Self-cleaning and ultraviolet lamp irradiation test of PT@SHS

3 結(jié) 論

利用模板法簡(jiǎn)單、快速地制備出具有規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的普通超疏水材料和光熱超疏水材料，并對(duì)材料的光熱轉(zhuǎn)換性能和光熱防除冰性能進(jìn)行研究，得到的主要結(jié)論如下。

(1)通過(guò)潤(rùn)濕性能表征得到材料接觸角均大于150°而滾動(dòng)角小于10°，說(shuō)明利用模板法制備的超疏水材料具有優(yōu)異的超疏水性能。此外，制備的光熱超疏水材料在1個(gè)太陽(yáng)光照條件下表面溫度可從室溫上升至55℃，其光熱溫升是普通超疏水材料溫升的10倍，其優(yōu)異的疏水性能和光熱性能為光熱防結(jié)冰性能、光熱除冰性能提供了優(yōu)勢(shì)。

(2)通過(guò)光熱防結(jié)冰和除冰實(shí)驗(yàn)表明，液滴在光熱超疏水材料上的結(jié)冰延遲時(shí)間是普通超疏水材料的3倍，且在光照條件下防結(jié)冰性能更加優(yōu)異，表面液滴在經(jīng)過(guò)6 h 的結(jié)冰測(cè)試中都未出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。在1 個(gè)太陽(yáng)光照條件下，凍結(jié)在光熱超疏水表面的冰滴可在150 s內(nèi)融化為液態(tài)，結(jié)合表面溫度分布數(shù)據(jù)，分別討論了光源產(chǎn)生的熱量和材料光熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量對(duì)防結(jié)冰和除冰性能的影響。

(3)對(duì)制備的材料進(jìn)行自清潔測(cè)試和抗紫外性能測(cè)試，結(jié)果表明制備的材料具有優(yōu)異的耐久性能。本文研究結(jié)果表明，具有光熱除冰和防結(jié)冰性能的光熱超疏水材料將成為未來(lái)解決覆冰難題的出路之一。