《Progress in Organic Coatings》：A one-stone-two-birds tactic: Pyrolysis-driven durable superhydrophobic wood/bamboo with photothermal effect for outdoor ice prevention
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提出一种热解驱动的一石二鸟策略，通过热分解预涂覆的PDMS/HAP纳米颗粒层，在木材表面同步形成二氧化硅纳米颗粒和碳层，赋予其超疏水性和光热转换能力，显著提升抗冻融性能和耐久性，水接触角达160.5°，光热处理后表面温度升至55.3°C，冰滑落时间仅8秒。
Jiayun Su|Minfeng Huang|Jiankun Wu|Jianyu Wu|Yuying Yang|Yan Yu|Rilong Yang
福建农林大学材料工程学院，福州，350108，中国
摘要
作为一种可再生建筑材料，木材在暴露于恶劣的户外环境中时容易受到霜冻和结冰的影响，这不仅严重缩短了木材的使用寿命，还带来了重大的安全隐患。制造具有光热功能的超疏水木质表面是一种有效延缓液滴冻结和冰层积累的方法。然而，这种改性策略总是涉及复杂的制备过程，而且这些超疏水木质表面的耐久性并不令人满意。在这项工作中，我们提出了一种“一石二鸟”的方法来制造具有光热效应的耐用超疏水木质/竹质表面。通过热分解预先涂覆有聚二甲基硅氧烷/羟基磷灰石纳米球（PDMS/HAP）层的木材，PDMS被转化为表面带有硅烷的二氧化硅纳米颗粒，并在木质表面形成具有光热转换特性的碳层。疏水性二氧化硅纳米颗粒和碳层的共同生成赋予了木质/竹质表面持久的超疏水性能和光热转换能力。该方法可以应用于各种木材和竹材。所得到的超疏水木质表面表现出160.5°的水接触角，并具有优异的耐久性。这种超疏水表面不仅能够承受砂纸磨损和水冲击等物理磨损，而且在化学腐蚀和紫外线照射后仍能保持其超疏水性。此外，该超疏水层还为木质材料提供了良好的尺寸稳定性和防潮性。另外，光热转换效应使得木质表面在阳光照射下能够迅速升温至55.3°C，冰晶在8秒内从表面滑落。这项工作提出了一种简单且有前景的策略，用于在木质/竹质表面制造光热和超疏水层，有望缓解寒冷条件下木质建筑材料的霜冻和结冰问题，并延长其使用寿命。
引言
木质材料是天然且可再生的材料，因其出色的机械强度、生物降解性和环保性而受到重视，因此成为屋顶、板材和围栏等户外建筑应用的流行选择[1]，[2]。然而，当暴露在恶劣的户外环境中时，木质产品容易受到霜冻和结冰的影响，这会严重损害其机械性能并带来安全风险。例如，冰层堆积会增加屋顶的负荷，导致结构变形或损坏，从而造成巨大的经济损失[3]，[4]，[5]。此外，霜冻和结冰还会加速木质/竹材的劣化和腐蚀，从而缩短其使用寿命[6]，[7]。因此，如何在极端寒冷环境中提高木质材料的耐久性是一个紧迫的问题。
制造超疏水表面是一种可行的防冰策略。超疏水改性是指通过结合低表面能改性和多级粗糙结构，构建具有大于150°的静态水接触角和小于10°的滑动角的表面[8]，[9]，[10]，[11]。借助超疏水表面，空气被截留在微纳米结构中，形成一层空气层，减少水滴与基底之间的接触面积，从而减缓结冰速度[12]，[13]。这种被动防冰方法可以在一定程度上减轻结冰风险。然而，在极寒条件下，仅依靠被动防冰方法仍然不足以完全避免结冰。因此，需要将超疏水表面与主动除冰技术相结合[14]，[15]。主动除冰利用焦耳加热或光热转换来融化表面冰层，在冰层下形成一层水膜，从而降低冰的附着力并便于通过风或重力去除冰[16]，[17]。
与焦耳加热除冰策略相比，光热除冰技术操作更为方便，不需要额外的电能，并且近年来受到了广泛关注[18]，[19]。例如，Sheng等人[20]通过去除木质素并涂覆聚吡咯纳米颗粒和碳纳米管，制备出了光热转换效率为91.1%的超疏水木材。这种超疏水光热木材在低至-25°C的温度下能够延缓冰的形成超过900秒。Wu等人[21]使用深共晶溶剂方法合成了木质素纳米颗粒，然后将其与全氟癸基三乙氧基硅烷、氧化铝和二氧化硅结合，在木质表面构建了层次化的粗糙结构以实现超疏水性。所得到的超疏水木材表现出显著的光热性能，在1200秒的照射后表面温度升高至87.9°C，同时除冰时间减少了177.7秒。然而，要赋予木质表面超疏水性和光热性能，通常需要复杂的制备程序。此外，这些木质/竹质光热超疏水层的耐久性和稳定性并不令人满意，使其难以在复杂多变的户外环境中应用，尤其是在极寒条件下。因此，开发具有高效光热转换性能和优异稳定性的超疏水木质/竹材是非常必要的。
在这项工作中，我们提出了一种“一石二鸟”的热解驱动策略，用于制造兼具耐用超疏水性和光热效应的木质/竹质表面。通过热分解预先涂覆的PDMS/HAP层，PDMS被转化为表面带有硅烷的二氧化硅纳米颗粒，并同时形成具有光热转换能力的超疏水碳层[22]。这种超疏水层不仅对外部损伤（包括砂纸磨损、水砂冲击、化学腐蚀和紫外线照射）表现出出色的稳定性，还为木质基底提供了更好的尺寸稳定性和防潮性。此外，光热效应能够在阳光照射下迅速将表面温度升高至55.3°C，使冰晶在8秒内从表面滑落。这项工作提出了一种简单高效的方法，用于在木质表面制造稳定的光热超疏水层，有望缓解寒冷条件下木质建筑材料的霜冻和结冰问题，并延长其使用寿命。这种多功能超疏水表面设计具有广泛的应用潜力[23]，[24]，[25]。
材料
中国福建省的一个种植园提供了中华杉（Cunninghamia lanceolata）木材。竹子和其他木材样本通过阿里巴巴在线市场采购。乙醇、乙酸乙酯和氢氧化铵由中国上海的Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.提供。磷酸二氢铵（((NH4)2HPO4）从中国上海的Aladdin Industrial Co., Ltd.购买。四水合硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O）从Xilong购买
具有光热效应的耐久超疏水木质表面的制备
如图1a所示，用于制备热解诱导的超疏水光热木质材料的“一石二鸟”策略简单且易于规模化。首先，将羟基磷灰石纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷（HAP/PDMS）的复合溶液喷涂在木质样品上。随后，使用酒精灯对木质样品进行表面碳化处理，形成同时具有超疏水性和光热转换能力的表面层
结论
本研究创新性地提出了一种双重用途的策略，用于制造具有光热效应的耐用超疏水木质/竹质材料。通过热分解木质表面的PDMS/HAP层，PDMS被转化为表面功能化为硅醇基团的二氧化硅纳米颗粒，同时生成具有光热转换能力的碳层。
CRediT作者贡献声明
Jiayun Su：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析、数据管理。Minfeng Huang：可视化、验证、数据管理。Jiankun Wu：研究、可视化。Jianyu Wu：可视化、资源获取。Yuying Yang：可视化、方法论。Yan Yu：监督、项目管理、资金获取。Rilong Yang：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取、概念化。
致谢
感谢国家自然科学基金（编号：32494792、22305039、32271790）和福建省自然科学基金（编号：2021 J05027）的财政支持。
