一种多功能纤维素涂层，兼具防冰/除冰、火灾预警和阻燃性能

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：A Multifunctional Cellulose Coating Integrating Anti-icing/de-icing, Fire Warning and Flame Retardancy

户外充电设施和变压器面临结冰与火灾双重威胁，本研究开发了一种有机-无机分层复合涂层，通过TiO?改性实现光热转化与抗冰融，结合阻燃改性纤维素增强耐火性，并利用碳纳米管和气凝胶构建超疏水表面，实现快速火警响应（<3秒）与高效除冰（接触角147°，除冰延迟1902秒），形成集防火、火警与抗冰融功能于一体的低成本解决方案。

　　

胡碧|沈玉才|方勇|吕伟泽|林海阳|姜国东

南京工业大学材料科学与工程学院，南京211816，中国

摘要

户外设施，如充电基础设施和箱式变压器，在寒冷环境中面临结冰的威胁，在使用过程中还可能存在火灾隐患，因此对多功能防护涂层有迫切的需求。本研究提出了一种分层涂层设计，将阻燃基体与光热超疏水表面相结合，以实现防冰/除冰和防火功能的集成。为此，使用多巴胺改性的二氧化钛（TiO?）和阻燃改性的纤维素构建了涂层基体，并在表面沉积了多壁碳纳米管和气相二氧化硅，形成了具有增强光热转换能力的微/纳米结构疏水层。这种结构使复合涂层在单太阳照射下实现了约147°的接触角、1902秒的结冰延迟时间和71.8°C的最大表面温度，展示了有效的光热除冰能力。此外，该涂层还具有超快的火灾报警响应（<3.5秒）、稳定的报警循环性能以及优异的阻燃性，并且在极端温度、水流侵蚀和机械磨损条件下具有出色的耐久性。总体而言，本研究展示了一种经济高效且可扩展的策略，能够在单一涂层系统中集成阻燃性、快速火灾报警和高效的防/除冰功能，为保护恶劣环境中的户外设备提供了巨大潜力。

引言

新能源行业的快速发展[1]、[2]、[3]、[4]加速了充电基础设施[5]、[6]、[7]、[8]和箱式变压器[9]、[10]的部署。然而，在开放环境中运行的设施不可避免地会面临恶劣条件，这可能导致部件退化和安全风险[11]、[12]、[13]。充电基础设施和箱式变压器面临双重挑战：一是由于热失控[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]引起的火灾隐患，二是冬季结冰和霜冻[11]、[20]、[21]导致的功能退化。因此，开发同时具备防冰/除冰功能以及阻燃和防火特性的复合材料具有重要意义。

近年来，结合超疏水性[22]和光热转换[23]的混合策略在防冰和除冰应用中受到了越来越多的关注。通过将被动延迟结冰效果与主动光热加热相结合，这类系统克服了传统防冰材料的局限性，能够在最低能量输入的情况下实现快速除冰[24]、[25]、[26]、[27]。超疏水表面已被广泛用于自清洁[28]、[29]、[30]、延迟结冰[31]、[32]和辐射冷却[33]，而光热材料（如碳基材料、半导体和有机大分子）能够高效地将太阳能转化为热能，无需外部能源。彭等人开发了一种E-PPCT涂层，具有热传导屏障、智能温度控制和光热/电热除冰功能，实现了协同的被动防冰和主动除冰效果[34]、[35]。然而，尽管这些光热防冰涂层具有优异的除冰性能，但大多数报道的材料缺乏内在的阻燃或防火性能，使其不适合易燃的户外基础设施[36]、[37]。

同时，基于早期火灾检测的主动火灾缓解策略已成为有效降低火灾风险的方法[38]。温度敏感的纳米材料，如碳纳米管、氧化石墨烯[39]和MXene[40]、[41]、[42]，已被广泛用于构建快速响应的火灾报警系统。盛等人开发了一种基于二氧化钛的绿色火灾报警纳米复合涂层，实现了超快的火灾报警响应（<3.5秒）和循环报警功能[43]、[44]。然而，现有的多功能系统通常依赖于昂贵的材料，而在单一低成本材料平台上有效整合火灾报警、阻燃和光热防冰功能仍然是一个重大挑战[45]。

本研究报道了一种基于多巴胺改性的二氧化钛（TiO?）和阻燃MAP改性的纤维素[46]的环保且经济高效的多功能复合涂层。多巴胺修饰增强了TiO?的界面粘附性和光响应性，而MAP改性的纤维素建立了坚固的阻燃网络。此外，喷涂沉积的二氧化硅纳米粒子和多壁碳纳米管协同调节了表面粗糙度和光热导电性。所得到的Si/C@MAP/PTiM涂层同时表现出优异的阻燃性、快速的电火灾报警响应（约3秒）以及在低温条件下的高效光热除冰能力。这项工作为构建多功能光热涂层提供了一种实用且可扩展的策略，为复杂户外环境中的防火和防/除冰提供了综合解决方案。

材料

蒙脱石（MMT）和二氧化钛（TiO?，>98%）购自上海麦克莱恩生化科技有限公司。羧甲基纤维素钠（CMC）、气相二氧化硅和盐酸多巴胺（DA）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供。多壁碳纳米管（CNTs）购自苏州碳丰科技有限公司，聚二甲基硅氧烷（PDMS）来自山东大义化学有限公司。无水乙醇和乙酸乙酯也用于实验。

微观结构和结构分析

微观结构和成分分析证实了TiO?颗粒的表面改性。如图2a所示，涂层后TiO?表面粗糙度的增加初步证明了PDA层的形成。傅里叶变换红外光谱（FTIR光谱，图2b）进一步验证了其化学结构；除了TiO?本身的特征外，PDA-TiO?还显示了1598 cm?1（C=C骨架和–NH弯曲）、1380 cm?1（C–N伸缩）和3341 cm?1（–OH和–NH伸缩重叠）的特征谱带。

结论

本研究提出了一种合理的设计策略，用于构建经济高效、环保的多功能涂层——一种“有机-无机层状集成”方法，并成功开发了一种具备集成阻燃和火灾报警功能的适应性防冰/除冰涂层。在该系统中，PDA改性的TiO?、MAP改性的纤维素和CNTs协同实现了多种功能的有机集成：光热转换、炭化层形成/屏障保护等。

作者贡献声明

方勇：验证、方法学、概念化。 沈玉才：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。 林海阳：方法学、概念化。 吕伟泽：监督、方法学。 胡碧：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。 姜国东：监督、方法学。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号22175088）和江苏省高等教育机构重点学术计划发展（PAPD）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。