結(jié)冰現(xiàn)象會(huì)給航空航天、海洋運(yùn)輸、電力輸送、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域帶來(lái)極大的危害。2008年，南方的雪災(zāi)造成大面積飛機(jī)火車(chē)停運(yùn)、水管凍裂、輸電塔輸電線(xiàn)損壞等等問(wèn)題，給我國(guó)帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，多達(dá)20余個(gè)省份受災(zāi)。傳統(tǒng)的加熱、機(jī)械、化學(xué)試劑等物理化學(xué)主動(dòng)除冰方法存在工作強(qiáng)度大、效率低、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，防冰涂層（冰黏附強(qiáng)度 < 100 kPa）這種被動(dòng)防冰技術(shù)能夠顯著降低材料表面的結(jié)冰現(xiàn)象，而且成本低、耗能小、易于實(shí)施，近年來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)注和研究。其中，基于仿生原理構(gòu)筑的多孔潤(rùn)滑涂層（SLIPS）具有極低的冰粘附強(qiáng)度，展現(xiàn)出優(yōu)異的防冰效果。但是，這種涂層易受損，且受損之后的表面防冰效果會(huì)大打折扣。研究既具有優(yōu)良機(jī)械性能又具有長(zhǎng)期防冰穩(wěn)定性的材料，仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性工作。

    近日，挪威科技大學(xué)（NTNU）的Jianying He和Zhiliang Zhang等研究者，通過(guò)引入互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（interpenetrating polymer network，IPN）和金屬離子配位鍵制備了具有自愈合性能的彈性體。該彈性體應(yīng)用于防冰涂層，展示了優(yōu)異的機(jī)械性能、較低的冰黏附強(qiáng)度（6.0 ± 0.9 kPa）以及長(zhǎng)使用壽命。此外，長(zhǎng)期防冰性能穩(wěn)定性也讓人滿(mǎn)意，在50余次的結(jié)冰/除冰循環(huán)測(cè)試后仍能保持較低的冰黏附強(qiáng)度（？12.2 kPa）。

自愈合涂層表面防冰效果示意圖。圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces

    基于氫鍵、動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、靜電作用、金屬配位作用等諸多策略能夠賦予材料的自愈合性能，因此基于材料體系中分子鏈間動(dòng)態(tài)鍵的可逆斷裂/形成能夠簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)軟防冰涂層表面應(yīng)用過(guò)程中機(jī)械損傷的自修復(fù)。研究人員基于2,6-吡啶二甲酰氯與含端氨基的聚二甲基硅氧烷（H2N-PDMS-NH2）反應(yīng)制備了新型彈性體Py-PDMS用于構(gòu)筑金屬配位鍵；并基于商業(yè)化PDMS和交聯(lián)劑Sylgard 184構(gòu)筑了互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)基體。

自愈合涂層互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及組成示意圖。圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces

    研究人員引入Fe（III）構(gòu)筑動(dòng)態(tài)金屬離子配位交聯(lián)點(diǎn)，基于共價(jià)鍵交聯(lián)點(diǎn)（Fe-Py-PDMS）和動(dòng)態(tài)配位鍵交聯(lián)點(diǎn)同時(shí)賦予彈性體涂層優(yōu)異的機(jī)械性能和蠕變自修復(fù)特性。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)兩組分質(zhì)量比（8:0, 7:1, 5:3, 3:5, 0:8）構(gòu)筑了一系列的防冰功能涂層；同時(shí)，采用拉曼光譜、紅外（FT-IR）對(duì)其相應(yīng)的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

涂層彈性體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表征。圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces

    引入Fe-Py-PDMS組分后，由于Fe（III）彈性體由透明變?yōu)槌壬Ｍㄟ^(guò)SEM、AFM以及表面元素分布EDX分析表明，涂層表面致密平整光滑、元素分布均勻，兩組分（Fe-Py-PDMS/PDMS-Sylgard 184）具有良好的相容性，不存在相分離現(xiàn)象。

涂層表面形貌及元素分布測(cè)試。圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces

    采用準(zhǔn)靜態(tài)納米壓痕技術(shù)對(duì)該彈性體涂層的機(jī)械性能進(jìn)行表征，原始的Fe-Py-PDMS及PDMS-Sylgard 184彈性體模量分別為 0.92± 0.01 MPa和 1.85 ± 0.01 MPa；而共混彈性體（7-1，5-3）由于PDMS-Sylgard 184組分對(duì)Fe-Py-PDMS的增塑作用，使得其呈現(xiàn)更低的模量，分別為0.29 ± 0.01 MPa 和0.47 ± 0.03 MPa。同時(shí)，PDMS-Sylgard 184組分的加入能夠顯著調(diào)控Fe-Py-PDMS體系的蠕變行為。

彈性體體系模量及蠕變行為測(cè)試。圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces

    基于Fe-Py-PDMS體系中金屬配位鍵的可逆斷裂能夠賦予涂層良好的蠕變變形特性，從而利于外力作用下涂層體系中聚合物分子鏈產(chǎn)生滑移，并在新的位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)金屬配位作用構(gòu)筑交聯(lián)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)表面損失修復(fù)。PDMS-Sylgard 184組分的含量對(duì)涂層機(jī)械性能和蠕變自修復(fù)性能存在trade-off效應(yīng)，可以按實(shí)際需要進(jìn)行精確調(diào)控。

自修復(fù)機(jī)理及組分含量對(duì)材料自修復(fù)性能的影響測(cè)試。圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces

    在-18 °C測(cè)試環(huán)境下對(duì)防冰涂層（厚度：300-342μm）表面防冰性能進(jìn)行測(cè)試，0-8（PDMS-Sylgard 184）涂層冰黏附強(qiáng)度為169.6 ±3.3 kPa，8-0（Fe-Py-PDMS）涂層冰黏附強(qiáng)度為 63.9 ± 2.2 kPa，而基于其超低模量IPN彈性體7-1展現(xiàn)出最優(yōu)的防冰性能，冰黏附強(qiáng)度僅為6.0 ± 0.9 kPa。在自身重力作用或風(fēng)力作用下，7-1的表面覆冰就能夠輕易除去。同時(shí)，該IPN涂層具有優(yōu)異的性能穩(wěn)定性，在50次結(jié)冰/除冰循環(huán)測(cè)試后其表面冰黏附強(qiáng)度只呈現(xiàn)略微升高（~12.2 ± 3.7 kPa），同時(shí)仍保持較好的自修復(fù)性能。

涂層表面冰黏附強(qiáng)度及性能穩(wěn)定性測(cè)試。圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces

——總結(jié)——

    本研究基于在彈性基體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)引入金屬離子配位交聯(lián)點(diǎn)，賦予彈性涂層良好的自愈合性能，從而實(shí)現(xiàn)了涂層使用壽命的提升。同時(shí)，互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了涂層具有優(yōu)異的機(jī)械性能和低冰黏附強(qiáng)度。該研究成果為后續(xù)高效防冰涂層以及低黏附涂層的開(kāi)發(fā)及使用壽命提升提供了重要的參考。

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責(zé)任編輯：王元

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