《Adv. Funct. Mater.》具有协同光热疏水性能的动态生物弹性体，用于可持续防/除冰

研究背景

在零度以下温度下，表面上的冰核化会自发发生，当凝结的水滴经历冻结时，这会导致多个行业重大操作挑战：电力传输线路上的积冰可能引发灾难性的结构故障，飞机机翼结冰会降低空气动力，而冻住的风力涡轮机叶片会导致显著的能量生产损失。虽然传统的除冰方法（机械、微波或化学处理）仍然广泛，但能效、环境影响和运营成本的限制推动了可持续替代方案的需求。因此，推进能够在恶劣环境中可靠运行的防冰是非常必要的，但通常具有挑战性。

疏水表面具有卓越的防冰性能，通过调整固液界面的相互作用，显著延缓了冰核形成并降低了冰的粘附强度。然而，该策略依赖于单一的疏水功能，固有地限制了进一步高级应用的集成。此外，传统疏水材料的性能在长期低温条件下会恶化，最终无法防止冰雪堆积。另一个复杂因素是，许多已建立的疏水材料在合成和部署过程中会释放有害物质，并面临与环境退化相关的持续挑战。这些材料的环境持久性和潜在毒性凸显了对生态兼容和可持续疏水策略的迫切需求。

 

将疏水表面与太阳能加热相结合，通过吸收太阳辐射来提高表面温度，这是一种有效的方法，可确保快速去除熔融水，同时保持较高的太阳能热性能。被动疏水防冰与主动光热除冰的合理结合产生了一种高效、可靠、节能的复合系统。目前制造光热弹性体的策略主要涉及分子光开关（如偶氮苯、螺吡喃）的集成或光热填料在弹性体基质中的分散。由于光热的有效转换，这些填料为太阳能收集提供了一条有前景的途径。此外，这种方法的直接处理和成本效益激发了更广泛的研究兴趣。尽管光热填料显示出相当大的前景，但它们对石油基成分的依赖引发了关于可持续性、不可再生资源消耗和环境污染的严重可持续性问题。[作为回应，最近的研究通过将环保光热填料（如木质素、黑色素）与生物衍生聚合物基质相结合，转向了可持续的替代品。

 

木质素是地球上第二丰富的芳香族生物聚合物，是一种有前景的光热应用生物基材料。它结合了可再生性、生物降解性和低成本，是石油衍生产品的可行替代品。木质素含有许多官能团（羧基、羟基）和芳香环结构，形成𝜋–𝜋共轭系统，通过广谱光吸收促进高效的光热转换。尽管前景光明，但开发一种完全由生物衍生的光响应复合材料，包括填料和基质，仍然是一个巨大的挑战。基质的选择需要在环境可持续性和长期耐久性之间进行关键的权衡，以实现长时间的户外应用。𝛼-硫辛酸是一种存在于人类和动物体内的天然生物分子，由于其固有的生物降解性和生物相容性，成为光热疏水材料的有吸引力的基质候选者。LA具有独特的分子结构，具有动态的五元二硫环和羧基，这增强了其在材料科学中的功能。因此，对光热疏水材料的需求很大，这些材料在长时间的机械损伤和恶劣的环境暴露下保持性能稳定性，同时不牺牲光热效率或疏水性。自愈聚合物𝛼-硫辛酸（PLA）经历动态二硫化物交换，提供了一种提高耐久性的途径。然而，在生物基疏水材料中，将这种能力与强大的粘附力、机械强度和高光热效率相结合仍然是一个艰巨的挑战。

解决方案

在此，通过在PLA基质中无溶剂熔融混合木质素光热填料，制备了一种多功能生物基光热弹性体（图1a）。共价二硫键和非共价氢键之间的协同作用赋予了弹性体显著的机械性能，包括4.45 MPa的断裂应力和2.79 MJ m−3的断裂韧性。木质素基光热弹性体具有自愈性、粘附性和可持续性，通过延长加热周期，有助于延长使用寿命和扩大应用潜力。同时，当水接触角超过120°时，显著的疏水性有助于在水下环境中实现牢固的粘附和自主自愈。更重要的是，光热活性和表面疏水性的协同组合允许在-20°C下在400秒内快速去除冰层，并保持持久的防冰性能。木质素作为可再生光热填料的成功掺入为开发下一代防冰涂料提供了一种非氟化和可持续的策略。由此产生的高性能集成光热疏水平台使这种生物基弹性体成为先进自清洁材料和节能除冰系统的创新基础。

图1a）LPAT弹性体的聚合过程示意图以及PLA链与AL、PA和IL之间的相应相互作用。c）LPAT弹性体能够快速对房屋屋顶进行光热除冰，并赋予表面自清洁性能。

图2LPAT弹性体的机械性能。a）AL-30 LPAT弹性体具有优异的机械性能和刚度，能够进行扭转试验并支撑10公斤物体的提升。b）不同铝含量的LPAT弹性体的拉伸应力-应变曲线，以及c）相应的韧性和模量。d）IL-30弹性体显示出非凡的机械和韧性。e）不同IL含量的LPAT弹性体的拉伸应力-应变曲线，以及f）相应的韧性和模量。g）对LPAT弹性体进行100个周期的拉伸试验。h）通过撕裂试验测量的LPAT弹性体的力-位移曲线。插图显示了LPAT弹性体在撕裂试验下的拉伸状态。i）拉伸应变和应力与文献中其他报告材料的阿什比图。

图3a）LPAT弹性体和各种基材之间的附着力测试。b）抗剪强度试验机理图。c）各种基材的附着力拉伸试验。d）水下和空气中各种基材之间的附着力比较。e）LPAT弹性体在水下环境中的粘合性能应用。f）不同铝含量的弹性体的附着力测试。g）弹性粘附稳定性试验（6个周期）。

 

图4. a）不同铝含量弹性体的水接触角（WCA）。b）不同培养基的AL-30 LPAT的CA和c）不同温度的AL-30 LPT的WCA d）在多次拉伸试验和扭转试验循环后。e）LPAT弹性体在水中浸泡30天后的膨胀率。f）弹性体在水中浸泡12小时后的拉伸曲线。g）LPAT自清洁试验的示意图和光学照片。h）LPAT各种拒液性测试的光学照片，包括去离子水、咖啡、橙汁、自来水、牛奶和可乐。

 

图5. LPAT的自愈特性。a）光学照片和b）AL-10 LPAT自愈机制的示意图。c）AL-10 LPAT自愈前后拉伸应力-应变曲线的比较。d）进行墨滴实验以进一步说明AL-10LPAT弹性体的宏观自修复。在e）时间扫描中，AL-10 LPAT在水中自愈24小时后的动态储能模量（G′）和损耗模量（G〃′）。f）不同组成的LPAT弹性体的TGA曲线。g）再生弹性体和原始弹性体之间的拉伸曲线比较。h）通过加热-冷却循环实现光热弹性体的可加工性和可重复使用性。

图6 a）LA和LPAT的紫外-可见-近红外光谱。黄色阴影是由标准AM1.5 G太阳光谱加权的太阳光谱Cirradiation。b）不同木质素含量的弹性体在不同光功率密度下的红外热谱图。c）光热转换实验的模拟示意图。d）不同铝含量的LPAT在相同功率密度0.2 W cm−2下照射20 cm距离时的温度变化。AL-10 LPAT的温度-时间响应曲线e）在不同光功率密度的808 nm NIR照射下，f）在不同光学功率密度的氙灯照射下。g）LPAT的最大温度变化ΔT与光功率密度的关系。h）通过808 nm和0.3 W cm−2的开关光照明进行交替加热和冷却（10个循环）的光稳定性测量。

图7.光热疏水LPAT的高效防冰/除冰。a）模型房在极端低温和高湿度条件下（T=-20°C，RH=60-70%）的防冰实验示意图。带有注射器的注射泵产生的液滴会撞击模型房屋的屋顶。一栋样板房的屋顶表面，一面用纯水泥粘合，另一面用LPAT粘合。b）LPAT的高效防冰。持续冲击LPAT涂层的液滴总是被弹开，c）保持屋顶清洁无冰。相比之下，水滴会附着在纯水泥上，形成积冰。d）除冰实验示意图。e）LPAT的高效除冰。在一个阳光照射下，LPAT涂层的温度迅速升高（红外图像），冷冻液滴（30μL）在150秒内完成融化。而AL-0 LPAT上的冷冻液滴保持固态。f）LPAT融冰过程中的能量转换和传输示意图。g）在一次阳光照射下（-15°C，冰膜厚度3 mm），LPAT涂层朝向冰膜进行光热除冰。

小结

通过无溶剂熔融复合成功开发了一种多功能生物基光热弹性体LPAT，该弹性体将木质素作为可再生光热填料𝛼-LPAT弹性体表现出很高的光热转换效率，在模拟阳光下表面温度可达135°C，同时具有强疏水性，其特征是水接触角超过127°。LA作为一种弹性聚合物基质，通过动态二硫键交换提供自愈能力和结构鲁棒性，实现了98.9%的自主自愈能力效率，水下粘附力高达2.4 MPa，而木质素通过𝜋–𝜋被动防冰和主动太阳能介导除冰的协同组合能够快速去除冻结和潮湿条件下的冰层。这项工作为生物质衍生固体废物的高价值利用建立了一条可持续的途径，并为下一代环保光热材料的开发开辟了新的途径。

论文信息：Yongquan Liu, Sanwei Hao,*Jun Yang, Jifei Zhang,* Jialong Wen, Wenfeng Ren, Bing Wang, Ling-Ping Xiao, Changyou Shao,* and Runcang Sun*.Dynamic Bio-Elastomer with Synergistic Photothermal-Hydrophobic Properties for Sustainable Anti-/De-Icing

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发布时间：2026-03-02

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来源：生物基弹性体分会（筹）