一种高效防冰/除冰表面采用Janus粒子包裹的相变微胶囊制成，具备光热性能和超疏水性

《Progress in Organic Coatings》：A highly efficient anti-icing/de-icing surface designed with Janus particle encapsulated phase-change microcapsules exhibits photothermal performance and superhydrophobicity

光热超疏水涂层利用双壳贾斯珀粒子封装微胶囊相变材料，通过光热转换与潜热释放协同作用实现长效防冰效果，经100次磨损后仍保持134.3°超疏水接触角，有效抑制低温高湿环境结冰。

　　
本研究聚焦于开发一种新型光热-热能储存复合涂层，旨在解决传统太阳能驱动抗冰/融冰技术存在的核心瓶颈。当前抗冰技术面临三大挑战：首先，太阳能存在间歇性供应问题，尤其在阴云天气或夜间场景中应用受限；其次，现有涂层的光热转换效率不足，难以有效吸收可见光至近红外波段（400-1100nm）的太阳能；再者，传统相变材料封装技术存在微胶囊破裂导致的泄漏风险，影响系统稳定性。

研究团队创新性地采用双壳Janus粒子（JPs）作为封装载体，通过构建环氧接枝的二氧化硅/聚苯乙烯/聚二烯丙基苯乙烯复合结构，成功实现了相变材料（C18十八烷）与光热转换材料（乙炔黑）的协同封装。这种"雪人"状Janus粒子具有独特的双亲性表面结构：亲水性的二氧化硅外壳与疏水性的聚合物内核形成鲜明对比，在乳液聚合过程中形成稳定的"铆钉"式机械结构，其三维曲面结构能有效抑制相变材料泄漏。

实验表明，该复合涂层在光照条件下能快速实现相变材料的熔融吸热，在自然冷却过程中释放储存的热能。当环境温度低于熔点（37℃）时，C18相变材料通过熔化吸收光能，形成液态核心；当温度回升至熔点以上时，液态C18重新凝固释放潜热，形成动态热缓冲机制。测试数据显示，涂层在光照下表面温度可稳定维持在38.5℃以上持续400秒，显著优于传统无相变材料涂层（降温速率提升约60%）。

在结构设计方面，团队通过双壳封装实现了多重性能优化：内壳（二氧化硅）提供机械支撑和化学稳定性，外壳（环氧接枝聚合物）增强与基材的粘附性。特别设计的铆钉状表面结构（接触角134.3°）结合纳米级粗糙度（Ra≈50nm），形成超疏水屏障，同时其多级曲面结构可有效增强光热吸收效率。当涂层受到100次磨损测试后，接触角仍保持134.3°，显示出优异的耐久性。

技术突破体现在三个方面：首先，通过Pickering乳液技术将乙炔黑（光热转换效率达92%）与C18（热储存密度91J/g）协同封装，实现可见光到热能的连续转化与储存；其次，开发新型双壳Janus粒子（Epoxy-Silica@PS/PDVB）作为封装载体，其铆钉结构在机械应力下不易破裂，成功将微胶囊的泄漏率降低至0.5%以下；再者，采用梯度固化环氧树脂（E51）作为基体，通过分子间作用力形成三维互穿网络，使复合涂层的断裂强度提升至45MPa，是传统涂层的3倍。

实际应用测试表明，该涂层在-10℃/85%RH低温高湿环境下，可有效抑制冰晶形成。当环境温度骤降至冰点以下时，涂层通过相变材料释放的热量维持表面温度在冰点以上，形成动态热防护层。在模拟-15℃/90%RH极端条件下，涂层表面24小时内未出现明显结冰现象，相较传统涂层缩短抗冰时间约40%。融冰测试显示，涂层接触区域的冰层融化速度是普通涂层的2.3倍，其热释放速率达到8.7W/m2，显著高于单一光热材料涂层。

产业化潜力方面，研究团队提出模块化制备方案：将合成好的Janus粒子与相变材料按质量比1:3进行封装，通过旋涂工艺可在2小时内完成大面积（1m2）涂覆。成本控制方面，采用工业级二氧化硅（平均粒径50nm）替代纳米材料，使原料成本降低62%。经2000小时加速老化测试，涂层性能保持率超过85%，满足长期户外使用需求。

该技术路线在多个维度实现突破：在热学性能上，C18的相变潜热（91.02J/g）与乙炔黑的吸光效率（92%）形成互补，使涂层在光照不足时段仍能通过相变材料余热维持功能；在环境适应性方面，双壳结构使微胶囊在pH=5-9、温度范围-20℃~80℃的环境下保持稳定；在能源转化效率上，通过表面微纳结构（粗糙度50nm+）和形状记忆效应（温度循环500次后结构稳定性保持>90%），将光热转换效率提升至38.7%，较传统石墨烯涂层提高21个百分点。

后续研究将聚焦于涂层厚度与性能的优化关系，计划开发具有自修复功能的涂层体系。实验数据表明，当涂层厚度控制在200±50μm时，单位面积热储存能力达到18.4J/cm2，且厚度每增加10μm，接触角提升1.2°。团队还正在探索将涂层应用于光伏支架、风力发电机叶片等关键结冰部位，初步测试显示可使设备停机时间减少70%以上。该研究为智能材料在新能源装备、交通设施等领域的应用提供了新范式，相关成果已申请6项发明专利，其中3项进入实质审查阶段。