四川大学杨双桥研究员Chemical Engineering Journal：将风力涡轮机叶片升级为耐用的超疏水涂层用于高效防冰应用
引用格式：
Luo D, Gao D, Cheng N, et al. Upcycling wind turbine blades into durable Super-Hydrophobic coating for High-Efficiency Anti-Icing application[J]. Chemical Engineering Journal, 2025: 160323.
随着风能等可再生能源的快速增长，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料的回收利用越来越受到关注，以减轻环境影响和资源浪费。在本研究中，使用自主开发的固态剪切铣削（S）对退役的风力涡轮机（WT）叶片进行回收设备。然后通过硅烷化和巯基-烯点击化学对WT叶片回收的细粉末进行有机改性。多维表征证实了一种称为S@WGE@Kh的超疏水产物的成功合成。然后，通过两步喷涂策略获得具有很强机械稳定性、耐久性和化学稳定性的超疏水涂层。最终的环氧树脂/S@WGE@Kh涂层的水接触角为162.0±1.0°，滚降角为6.0±0.5°，表面自由能低至1.05mN/m。与纯环氧涂料相比，该涂料的冻结时间延长了5倍。此外，有限元仿真用于研究结冰过程中的相转移过程，为超疏水表面的防结冰机制提供了见解。这种方法为通过超细研磨和表面功能化升级回收WT叶片提供了一种很有前途的策略，为进一步的研究和实际应用提供了重要的机会。
图1. 超疏水材料设计的示意图。
图2. 设计和表征。（a）合成S@WGE@Kh的制备过程示意图。（b）WGE及其衍生物的FTIR光谱。（c）WGE及其衍生物的完整XPS光谱。（D-E）WGE@Kh和S@WGE@Kh的高分辨率碳谱。（f）S@WGE@Kh的SEM图像和映射图像。（g）表面改性前后WGE的TG曲线。
图3. 润湿性。（a）EP/S@WGE@Kh涂层的制备过程示意图。（b-c）纯EP和EP/S@WGE@Kh涂层的SEM图像和映射图像。（e）通过超景深实现EP/S@WGE@Kh涂层的三维表面形貌。（f）不同涂层的WCA。润湿包络EP/S@WGE@Kh涂层和对照样品的图像（g）和SFE（h）。
图4. EP/S@WGE@Kh涂层的表面润湿性。（a）EP/S@WGE@Kh涂层在水中的镜面反射。（b）水射流反弹的EP/S@WGE@Kh涂层的照片。（c-d）各种日常消耗的液体及其接触角。（e）制备的EP/S@WGE@Kh涂层中的动态界面接触和不润湿水。（f）EP/S@WGE@Kh涂层的WSA照片。（g）EP/S@WGE@Kh涂层的自清洁测试和自清洁示意图。
图5. 涂层的稳定性。（a）纸张磨损示意图。（b）不同纸张磨损周期对EP/S@WGE@Kh涂层的WCA和WSA的影响。（c）EP/S@WGE@Kh涂层磨损30米后的SEM图像和元素映射。（d）机械耐久性与其他作品的比较。（e）酸盐溶液腐蚀后样品表面接触角的变化（插图是三种腐蚀溶液的示意图）。（f）酸和盐溶液腐蚀后样品的自清洁试验。（g）浸泡在碱溶液中后WCA和WRA随时间的变化。（h）水影响试验示意图。（i）水流撞击EP/S@WGE@Kh表面后的WCA结果。（g）涂层在180°C烘箱中的WCA变化。（k）涂层在150°C烘箱中的WCA变化。（m）各种耐久性测试后涂层的WCA。
图6. 防冰性能。（a）环氧树脂和EP/S@WGE@Kh涂层在不同时间结冰过程的同步侧视图图像序列。（b）结冰过程的示意图。（c）水滴与具有不同润湿性的表面接触的模拟。（d）液滴扩散半径随时间变化的模拟结果。（e）液滴中轴高度随时间变化的模拟结果。（f）不同润湿性涂层上液滴冻结的传热模型。
总结与展望
本研究介绍了一种从退役WT叶片制备超疏水粉末的多功能高效方法。该方法涉及用硅烷偶联剂进行硅烷化反应，然后进行噻吩点击反应。改性颗粒具有独特的层次结构和高氟含量，表现出显著的防水性能，水接触角高达162±1.0°。通过使用胶水和颗粒系统，将获得的颗粒通过两步喷涂法施加到各种基材上，从而得到耐用的超疏水涂层。所制备的涂层不仅表现出广泛的拒液性，包括排斥表面自由能低至1.05mN/m的水基液体的能力，而且在暴露于各种形式的机械损伤和恶劣的化学环境后仍保持了稳健的超疏水性能。此外，最终涂层显示出多功能性能，包括自清洁和防冰性能。值得注意的是，最终涂层的防冰时间比纯环氧涂层长5倍。此外，有限元模拟阐明了液滴扩散半径与时间比之间的关系，为超疏水表面增强抗冰性提供了有价值的见解。这项工作为退役WT叶片的增值管理提供了一条可行的途径，因此合成的超疏水粉末可以在除防冰之外的更广泛的应用中提供机会，如油水分离、建筑表面和运输。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160323
相应的成果以“Upcycling wind turbine blades into durable Super-Hydrophobic coating for High-Efficiency Anti-Icing application”为题发表在Chemical Engineering Journal上，文章的通讯作者为四川大学杨双桥研究员。
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