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  聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是一種以可再生植物資源（如玉米、甘蔗等）為原料制備的可生物降解合成高分子材料，是在高分子主鏈上含酯基（-COO-）的脂肪族聚酯，由乳酸單體通過(guò)縮聚反應(yīng)聚合而成。PLA具有良好的生物相容性、可降解性、力學(xué)性能和加工性能，在自然環(huán)境中可被微生物分解為二氧化碳和水，能有效減少白色污染，可廣泛應(yīng)用于紡織服裝、醫(yī)療衛(wèi)生、包裝材料、一次性餐具和農(nóng)業(yè)地膜等領(lǐng)域。

  近日，青島大學(xué)寧新教授非織造材料團(tuán)隊(duì)教師明津法在聚乳酸纖維復(fù)合氣凝膠防冰/除冰材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果以題為“Superhydrophobic and photothermal polylactic acid composite aerogels with anti-icing and deicing properties”的論文發(fā)表于《International Journal of Biological Macromolecules》期刊。該研究報(bào)道了一種聚乳酸/碳納米管/四氧化三鐵（CFe-PLA）復(fù)合氣凝膠。通過(guò)化學(xué)共沉淀法將羧化碳納米管（CNTs-COOH）與磁鐵礦（Fe₃O₄）成功復(fù)合，制備出磁性光熱納米填料（CFe）；采用VTMS交聯(lián)和冷凍干燥等方法，制得具有三維（3D）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的光熱及超疏水氣凝膠。該氣凝膠具備優(yōu)異的光熱效果、顯著的防冰/除冰性能和良好的耐久性，還擁有超疏水性（接觸角146.94°-152.25°）及低密度（22-32 mg/cm3）等特性。這項(xiàng)工作為制備用于全天候防冰應(yīng)用的先進(jìn)光熱氣凝膠提供了一種新穎有效的方法。

  （1）以PLA纖維作為氣凝膠基體，引入CFe作為功能填料，通過(guò)VTMS交聯(lián)反應(yīng)，使PLA纖維與CFe之間形成結(jié)合，并經(jīng)冷凍干燥制備CFe-PLA復(fù)合氣凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，氣凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，形成良好的三維（3D）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

  （2）CFe_x-PLA氣凝膠的密度范圍為 22-32 mg/cm³。CFe-PLA氣凝膠的密度隨著CFe含量的增加而增加。當(dāng)CFe含量最高（24 wt%）時(shí)，氣凝膠可以被永磁體吸附，更有利于氣凝膠在多場(chǎng)景下的應(yīng)用。復(fù)合氣凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，以CFe₂₄-PLA氣凝膠為例，在60%壓縮應(yīng)變下對(duì)氣凝膠進(jìn)行了100次連續(xù)壓縮循環(huán)測(cè)試后，CFe₂₄-PLA氣凝膠仍然具有出色的外觀，保留了原始最大應(yīng)力的60%以上。

  （3）在超疏水及光熱領(lǐng)域，復(fù)合氣凝膠氣凝膠表面水接觸角最高可達(dá)152.25°，是一種超疏水材料。光熱納米填料CFe的引入賦予了氣凝膠優(yōu)異的光熱和除冰/防冰性能。在一個(gè)太陽(yáng)光輻照下，氣凝膠表面溫度可迅速上升至68.27-83.77 °C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)初始?xì)饽z的28.8 °C。比如，當(dāng)CFe含量為24 wt%時(shí)，氣凝膠表面的最高溫度可達(dá)83℃左右，比不含CFe的氣凝膠高出約55℃。

  （4）在防冰/除冰領(lǐng)域，復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的防/除冰性能。在一個(gè)太陽(yáng)光輻照下，氣凝膠除冰時(shí)間由522 s縮短至207 s，節(jié)省除冰時(shí)間60%以上。在-70°C下，10μL水滴在氣凝膠表面的CFe凍結(jié)時(shí)間為302.5 s （CFe₃-PLA）、173.3 s （CFe₆-PLA）、151.9 s （CFe₁₂-PLA）和 107.9 s （CFe₂₄-PLA），相同環(huán)境條件下，初始?xì)饽z表現(xiàn)出優(yōu)異的防冰性能。連續(xù)觀察60 min后，水滴在其表面不結(jié)冰。當(dāng)環(huán)境溫度約為-50°C時(shí)，所有氣凝膠表面都不會(huì)結(jié)冰。

圖1 (a) Preparation process and reaction principle; Macroscopic image (b), TEM (c), FTIR (d), and XRD pattern (e) of CFe nanocomposite. SEM (f) and fiber diameter distribution (g) of PLA nonwovens by melt-blowing. The inset shows the water contact angle (WCA) on the surface of PLA nonwovens.

圖2(a) Preparation process of CFe-PLA aerogels. (b) Schematic illustration of VTMS hydrolytic crosslinking strategy.

圖3(a,b,c) SEM of CFe₀-PLA aerogel; (d-f) SEM of CFe₂₄-PLA aerogel; (g-k) Elemental mapping images of CFe₂₄-PLA aerogel; (i) The physical image of CFex-PLA aerogels.

圖4(a) WCA values of CFe-PLA aerogels surface; (b) Low adhesion behavior of water droplets on the CFe₂₄-PLA aerogel surface; (c) The temperature rise and temperature drop curves of CFe-PLA aerogels under 1.0 sun (0.1 W/cm²); (d) The maximum temperature and (e) corresponding infrared images of CFe-PLA aerogels under 1.0 sun (0.1 W/cm²). (f) The temperature rise and temperature drop curves of CFe₃-PLA aerogel under 0.5 sun (0.05 W/cm²), 1.0 sun (0.1 W/cm²), 1.5 sun (0.15 W/cm²); (g) The maximum temperature and corresponding infrared images of CFe₃-PLA aerogel under 0.5 sun (0.05 W/cm²), 1.0 sun (0.1 W/cm²), 1.5 sun (0.15 W/cm²); (h) Photothermal cycle of CFe₃-PLA aerogel.

圖5(a) Schematic diagram of anti-icing and deicing mechanism of the CFe-PLA aerogels. (b) Solar-thermal deicing experiment under 1.0 sun (0.1W/cm²). (c) Anti-icing performance of CFe-PLA aerogels at ?70℃. (d) The dynamic shear force of ice on the CFe₂₄-PLA aerogel. The inset shows the test setup, where the test aerogel with a icicle and a force gauge is used to dislodge the bottom of the icicle at a stable speed. (e) Comparison of surface adhesion between ice and the sample with different reported literature.

  青島大學(xué)非織造材料與產(chǎn)業(yè)用紡織品創(chuàng)新研究院、特型非織造材料山東省工程研究中心教師明津法為論文通訊作者，團(tuán)隊(duì)課題組2023級(jí)碩士生張碩為論文第一作者。非織造材料與產(chǎn)業(yè)用紡織品創(chuàng)新研究院專(zhuān)注非織造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新，現(xiàn)設(shè)有特型非織造裝備和工藝的工程研究、智能紡織品中功能纖維研究、纖維表面改性與非織造材料的功能后整理研究、非織造結(jié)構(gòu)及纖維隔膜在環(huán)境、新能源方面的研究四個(gè)研究方向。

  明津法團(tuán)隊(duì)聚焦在聚乳酸纖維材料功能化及應(yīng)用研究工作，先后在Applied Materials Today、Journal of Hazardous Materials、International Journal of Biological Macromolecules、Journal of Molecular Structure發(fā)表系列研究論文，聚焦輻射制冷、隔熱保溫、空氣過(guò)濾、防冰/除冰、抗菌等領(lǐng)域。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.146680