砂纸模板结合火焰烧蚀:简易构筑光热超疏水PDMS防除冰表面新策略

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广东工业大学郝志峰教授、喀什大学贾淑平副教授Solar Energy Materials and Solar Cells：通过砂纸模板铸造配合火焰消融，轻松制造带有微纳米皱纹的PDMS光热超疏水表面，实现高效防冰/除冰
引用格式：
Huang X, Chen J, Liang J, et al. Facile fabrication of PDMS-based photothermal superhydrophobic surfaces with micro-nano wrinkles via sandpaper template casting coupled with flame ablation for efficient anti-icing/deicing[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2026, 306: 114503.

传统超疏水表面因其微纳结构制备复杂且缺乏光热功能，在防冰/除冰应用中受到限制。本文提出了一种简便且经济的策略，将干砂纸模板法与乙醇火焰烧蚀技术相结合，制备了兼具超疏水微纳结构与高效光热转换性能的聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合表面。通过改变砂纸模板的目数，可调控PDMS表面的微观结构与润湿性。乙醇火焰烧蚀过程会诱导表面产生微纳褶皱，同时通过PDMS链的热降解原位生成SiO₂纳米颗粒。这些生成的纳米颗粒嵌入软化的褶皱与微结构空腔中，显著提升了表面的疏水性能。与此同时，加入炭黑（CB）纳米颗粒作为光热填料，使复合表面具备全光谱吸收能力（在300–900 nm波长范围内吸收率接近100%）以及高效的光热转换效率。优化后的PDMS表面展现出卓越的超疏水性（水接触角≈160°，滑动角<5°）和自清洁能力。在一个太阳光照下，该表面在180秒内温度升至83 °C。在低温高湿环境（−20 °C，80%相对湿度）中，与传统PDMS相比，其结冰延迟时间延长了2.5倍。此外，超疏水-光热协同效应使得冰层在135秒内完全融化。这种砂纸模板结合火焰烧蚀的方法无需复杂设备，解决了超疏水表面制备及其在防冰/除冰应用中面临的规模化难题。

图1.F-C@PDMS复合表面制备流程示意图。

图2.(a) PDMS和F-PDMS（240#）经火焰烧蚀0秒、5秒、10秒、15秒和20秒后的扫描电镜图像。(b) F-PDMS（240#）-0秒的元素分布图。(c) F-PDMS（240#）-20秒的元素分布图。

图3.(a) 火焰处理后的F-PDMS的红外热流图。(b) 火焰处理后的F-PDMS (240#)的红外热流图。(c) F-PDMS(240#)-0s和F-PDMS (240#)-20s的元素组成分析。(d) PDMS (240#)、F-PDMS (240#)-20s、0.8C@PDMS (240#)和F-@PDMS (240#)-20s的红外光谱。

图4.(a) 吸收光谱。(b) 透射光谱。(c) 光反射与透射示意图。(d) 不同炭黑含量的FC@PDMS(240#)表面的温度-时间曲线。

图5.(a) 不同光功率密度下样品的表面温度曲线；(b) 图7(a)中不同阶段对应的表面结霜状况。

图6.不同润湿性和温度表面上水滴冻结的模拟：(a) -20°C下的冻结时间；(b) -10°C下的冻结时间；(c) -20°C下的冰体积分数；(d) -10°C下的冰体积分数。

图7.不同样品的防冰测试：(a) 表面上的液滴结冰过程；(b) 液滴在表面上完全结冰所需的时间；(c) 不同温度下液滴撞击 F-0.8C@PDMS (240#) 表面的防冰测试；(d) 超疏水表面示意图。

图8.各样品的光热除冰测试（a）光热除冰过程示意图。（b）冰滴所需的完整融化时间。疏水表面的传热模型（c）非光热表面PDMS（240#）和（d）光热surface0.8C@PDMS（240#）。超疏水表面的传热模型：（e）非光热表面F-PDMS（240#）和（f）光热表面F-0.8C@PDMS（240#）。

1) 本研究通过创新性地结合干砂纸模板浇铸法与火焰烧蚀技术，并掺入低成本的炭黑光热纳米填料，成功制备了一系列F-C@PDMS复合表面。

2) 优化后的F-C@PDMS(240#)表面表现出优异的超疏水性，其水接触角约为160°，滑动角低于5°，从而赋予表面卓越的自清洁性能。

3) 同时，F-0.8C@PDMS(240#)复合材料在300–900 nm波长范围内实现了近100%的光吸收，在1个太阳辐照下180秒内表面温度升至83 °C，验证了其出色的光热转换效率。

4) 在光照条件下，该复合表面可实现快速且持续的除霜。此外，它展现出显著的低温适应性：即使在−10 °C和80%相对湿度下，表面仍保持液滴回弹能力，结冰时间相比原始PDMS表面延长了2.5倍，凸显了其强大的环境耐久性。

5) 得益于超疏水性与光热转换的协同效应，F-C@PDMS表面上的冰滴在135秒内完全融化。这一性能远超传统PDMS表面（后者霜层持续积累而无法融化），从而验证了该材料在主动除冰应用中的巨大潜力。

6) 值得注意的是，所提出的“模板浇铸结合火焰烧蚀”策略克服了传统超疏水表面制备方法的技术复杂性。总之，本研究为超疏水表面的光热功能化与规模化生产这一双重挑战提供了创新解决方案，为防冰与除冰技术的进步开辟了新途径。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.solmat.2026.114503

相应的成果以“Facile fabrication of PDMS-based photothermal superhydrophobic surfaces with micro-nano wrinkles via sandpaper template casting coupled with flame ablation for efficient anti-icing/deicing”为题发表在Solar Energy Materials and Solar Cells上，文章的通讯作者为广东工业大学郝志峰教授和喀什大学贾淑平副教授。

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