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    天津大學化工學院張雷、楊靜團隊《Small》：一種可在極端環境下自主愈合的防冰涂料
    
              
    
                2022-12-21 14:55:21
                作者：高分子科學前沿                來源：高分子科學前沿 
                  分享至：
              
    

      

            
    
            
    
              
              
            
    
            
            
    
              
     極端天氣下，防冰涂料在戶外使用過程中會不可避免地遭受物理損傷，表面的“傷口”不但會促進結冰，還會增加除冰的難度。受生物組織可自主愈合“傷口”的啟發，賦予防冰涂料自愈合能力可解決其表面損傷的問題。然而自愈合性能與防/除冰性能通常不可兼得，因為自愈合材料多依賴動態氫鍵，而氫鍵也會導致涂料和冰之間的強結合力。此外，因低溫下分子鏈移動性降低，水分子干擾可逆動態鍵重構等原因，開發可在極端環境下自愈合的材料也面臨挑戰。
    為解決上述難題，天津大學化工學院張雷、楊靜團隊在國際知名期刊《Small》 （IF=15.153）上發表了題為”An Extreme-Environment-Resistant Self-Healing Anti-Icing Coating”的研究論文。天津大學化工學院的碩士研究生李瑞琪和博士研究生田澍為論文的共同第一作者，張雷教授和楊靜副教授為通訊作者，合作單位為濱州魏橋國科高等技術研究院。該研究得到了國家自然科學基金的支持。
    此前，該團隊在國際知名期刊《Nature Communications》 （IF=17.694）上發表的題為”Universally autonomous self-healing elastomer with high stretchability”的研究論文，成功研發出一種“全天候”自愈合材料，可在嚴寒、深海、強酸堿等各種極端環境下實現快速自主愈合。基于該PDMS基材料，該團隊結合氟化石墨烯（FG）以降低材料表面的動態氫鍵含量、進一步降低硅基材料的表面能，制備了一種可在低溫（-20 ℃）、強酸（pH=0）、強堿（pH=14）下自主愈合的防冰涂料，且表現出良好的防冰和除冰性能，如圖1。
    

    

    圖1自愈合防冰涂料的示意圖和超分子彈性體的化學結構
    首先對涂料的元素組成和化學結構進行了表征，發現隨著氟化石墨烯含量的增多，涂料表面氟元素含量增多，表面氫鍵減少，如圖2。該團隊認為氟化石墨烯的加入可覆蓋彈性體表面的部分氫鍵，從而降低冰和涂料間的粘附作用。
    

    

    圖2 涂料表面的元素組成和化學結構
    因此，該團隊對各涂料（氟化石墨烯含量不同）的防冰、除冰性能進行了表征，如圖3。實驗發現，涂料的結冰延遲時間最長為285 s，非均相成核溫度最低為-30.3 ℃，冰剪切強度為48.7 kPa，在50次結冰/除冰循環期間的冰剪切強度保持穩定，此外該涂料還具有光熱性能，有利于光熱除冰。
    

    

    圖3涂料的防冰、除冰性能
    此外，該團隊還對涂料在不同環境下的自愈合性能進行了表征，如圖4。實驗發現，其在常溫下2 h內可實現自主愈合，在4 ℃、-20℃、pH=0、pH=14的極端環境下24 h內可實現自主愈合，氟化石墨烯的加入并沒有顯著降低彈性體的自愈合效率。
    

    

    圖4材料在不同條件下的自主愈合性能
    由于涂料表面的“傷口”會促進冰成核的發生，還會造成冰和表面的“互鎖”，從而喪失防冰/除冰性能。因此，該工作還探究了涂料表面“傷口”愈合后的防冰/除冰性能，其冰成核溫度可恢復至-27.5 ℃，冰剪切強度可恢復至50.2 kPa，且在經過10次損傷/愈合循環后，仍保持良好的除冰性能，如圖5。
    

    

    圖5涂料愈合后的防冰/除冰性能
    最后，該工作總結了最近報道的自愈合防冰涂料的主要性能，可以發現相較于其他自愈合防冰涂料，該涂料的主要優勢為：（1）不需要外界刺激，可實現自主愈合；（2）可在多種極端環境下愈合；（3）愈合后仍保持良好的除冰性能，如圖6。
    

    

    圖6對比前沿防冰涂料，本報道的自愈合防冰涂料優勢
                     
      
    
            
    
            
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