聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是一种以可再生植物资源（如玉米、甘蔗等）为原料制备的可生物降解合成高分子材料，是在高分子主链上含酯基（-COO-）的脂肪族聚酯，由乳酸单体通过缩聚反应聚合而成。PLA具有良好的生物相容性、可降解性、力学性能和加工性能，在自然环境中可被微生物分解为二氧化碳和水，能有效减少白色污染，可广泛应用于纺织服装、医疗卫生、包装材料、一次性餐具和农业地膜等领域。

  近日，青岛大学宁新教授非织造材料团队教师明津法在聚乳酸纤维复合气凝胶防冰/除冰材料开发领域取得进展，相关研究成果以题为“Superhydrophobic and photothermal polylactic acid composite aerogels with anti-icing and deicing properties”的论文发表于《International Journal of Biological Macromolecules》期刊。该研究报道了一种聚乳酸/碳纳米管/四氧化三铁（CFe-PLA）复合气凝胶。通过化学共沉淀法将羧化碳纳米管（CNTs-COOH）与磁铁矿（Fe₃O₄）成功复合，制备出磁性光热纳米填料（CFe）；采用VTMS交联和冷冻干燥等方法，制得具有三维（3D）网络结构的光热及超疏水气凝胶。该气凝胶具备优异的光热效果、显著的防冰/除冰性能和良好的耐久性，还拥有超疏水性（接触角146.94°-152.25°）及低密度（22-32 mg/cm3）等特性。这项工作为制备用于全天候防冰应用的先进光热气凝胶提供了一种新颖有效的方法。

  （1）以PLA纤维作为气凝胶基体，引入CFe作为功能填料，通过VTMS交联反应，使PLA纤维与CFe之间形成结合，并经冷冻干燥制备CFe-PLA复合气凝胶。研究发现，气凝胶结构稳定，形成良好的三维（3D）网络结构。

  （2）CFe_x-PLA气凝胶的密度范围为 22-32 mg/cm³。CFe-PLA气凝胶的密度随着CFe含量的增加而增加。当CFe含量最高（24 wt%）时，气凝胶可以被永磁体吸附，更有利于气凝胶在多场景下的应用。复合气凝胶展现出优异的力学性能，以CFe₂₄-PLA气凝胶为例，在60%压缩应变下对气凝胶进行了100次连续压缩循环测试后，CFe₂₄-PLA气凝胶仍然具有出色的外观，保留了原始最大应力的60%以上。

  （3）在超疏水及光热领域，复合气凝胶气凝胶表面水接触角最高可达152.25°，是一种超疏水材料。光热纳米填料CFe的引入赋予了气凝胶优异的光热和除冰/防冰性能。在一个太阳光辐照下，气凝胶表面温度可迅速上升至68.27-83.77 °C，远远超过初始气凝胶的28.8 °C。比如，当CFe含量为24 wt%时，气凝胶表面的最高温度可达83℃左右，比不含CFe的气凝胶高出约55℃。

  （4）在防冰/除冰领域，复合气凝胶表现出优异的防/除冰性能。在一个太阳光辐照下，气凝胶除冰时间由522 s缩短至207 s，节省除冰时间60%以上。在-70°C下，10μL水滴在气凝胶表面的CFe冻结时间为302.5 s （CFe₃-PLA）、173.3 s （CFe₆-PLA）、151.9 s （CFe₁₂-PLA）和 107.9 s （CFe₂₄-PLA），相同环境条件下，初始气凝胶表现出优异的防冰性能。连续观察60 min后，水滴在其表面不结冰。当环境温度约为-50°C时，所有气凝胶表面都不会结冰。

图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.

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

图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.

图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. 

图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.

  青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院、特型非织造材料山东省工程研究中心教师明津法为论文通讯作者，团队课题组2023级硕士生张硕为论文第一作者。非织造材料与产业用纺织品创新研究院专注非织造产业领域技术和产品创新，现设有特型非织造装备和工艺的工程研究、智能纺织品中功能纤维研究、纤维表面改性与非织造材料的功能后整理研究、非织造结构及纤维隔膜在环境、新能源方面的研究四个研究方向。

  明津法团队聚焦在聚乳酸纤维材料功能化及应用研究工作，先后在Applied Materials Today、Journal of Hazardous Materials、International Journal of Biological Macromolecules、Journal of Molecular Structure发表系列研究论文，聚焦辐射制冷、隔热保温、空气过滤、防冰/除冰、抗菌等领域。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.146680