受損防冰涂料反而“促結冰”？我國科學家開發可自我修復防冰涂料不懼損傷，可實現戶外長效防冰！
2023-05-10 14:06:52
作者： 高分子科學前沿 來源： 高分子科學前沿
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戶外基礎設施和工程裝備（主要包括風電葉片、輸電線路、飛機、海上石油平臺等）表面覆冰時存在安全隱患，易造成嚴重的人員傷亡和重大的經濟損失。
用于戶外基礎設施表面的防冰涂層在露天場景下不可避免受到如冰雹、沙塵暴、高空異物等撞擊，導致表面發生嚴重的機械損傷，降低防冰涂層的使用壽命。同時機械損傷對于涂層的防/除冰性能的可能產生的負面影響也缺乏深入的研究討論。如何理解并克服機械損傷對于防冰涂層的影響是防冰領域面臨的關鍵難題。開發具有自主愈合能力、克服機械損傷，能夠實現戶外長效防除冰的新型防冰涂料對于實際應用具有重要意義。天津大學化工學院張雷、楊靜團隊長期從事自愈合、防冰抗凍材料的研究，團隊開發的基于多重動態鍵的“全天候”自愈合材料首次實現了在低溫、水下、強酸/堿等極端環境的自主自愈合（Nat. Commun. 2020, 11, 2037），之后團隊將該材料與氟化石墨烯結合，制備出自愈合光熱防冰涂層（Small 2023, 19, 2206075）應用于實際防/除冰工作。① 天大團隊首次揭示機械損傷對涂料防/除冰性能的影響機制近日，天津大學化工學院張雷、楊靜團隊在Science合作期刊《Research》（IF=11.036）上發表了題為“Inhibition of Defect-Induced Ice Nucleation, Propagation, and Adhesion by Bioinspired Self-Healing Anti-Icing Coatings”的研究論文。首次系統地揭示了涂料表面機械損傷對涂料防除冰性能的影響機制，并提供了一種在低溫下可自主自愈合的仿生防冰涂料。天津大學化工學院博士研究生田澍為論文的第一作者，張雷教授和楊靜副教授為通訊作者，天津大學化工學院為第一單位，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。該工作首先通過實驗配合理論計算，探究了涂料損傷缺陷處的結冰過程。通過高速攝像觀察到，低溫下缺陷處優先產生冰晶進而擴散至整個水滴完全結冰。已凍結的水滴會以缺陷為“橋梁”，向鄰近水滴進行冰晶的擴散傳遞，最終使相鄰水滴凍結。通過第一性原理和有限元計算發現，涂料缺陷處與水分子的吸附能力更強、傳熱速度更快，因此冷凝水更容易在缺陷處成核結冰。另外，缺陷處結冰后會與冰形成嵌入式“互鎖結構”，增加了冰在涂料表面的粘附強度和除冰難度。缺陷誘導冰成核、傳遞、粘附的過程如圖1所示。值得注意的是鋼板表面冰成核溫度是-13.6℃，而損傷后涂料表面冰成核溫度為-9.5℃，說明損傷使涂料從“防結冰”變為“促結冰”。圖1 缺陷誘導涂料表面冰成核、擴散傳遞以及冰粘附行為和機制該團隊研究挖掘了天然抗凍蛋白的關鍵抗凍模塊（冰結合位點IBS與非冰結合位點NIBS），通過模擬IBS與NIBS抗凍模塊，構建了仿抗凍蛋白聚合物PDSB，并加入到自愈合材料基質中，制備了兼具優異防結冰和易除冰性能的自愈合防冰涂料。該防冰涂料通過PDSB的“NIBS”模擬模塊結合水分子，降低表面冰非均相成核溫度，通過“IBS”模擬模塊抑制冰晶擴散傳遞，提高了涂料的防結冰性能。結果表明，與鋼板相比，該涂料的冰成核溫度降低了-15.8℃、結冰延遲了48.4倍、冰擴散速度下降兩個數量級。此外，涂料通過低表面能結構以及兩性離子SB鏈段與界面水分子形成的不凍結水，降低了涂料的冰粘附強度，提高了涂料的除冰性能，冰粘附強度僅為空白鋼板的1/23（圖3）。④ 多重動態鍵實現涂料低溫下自主自愈合及戶外長期使用該涂料通過材料分子結構中的強氫鍵、弱氫鍵、二硫鍵以及靜電相互作用實現優異的低溫自愈合性能，表面損傷缺陷在-20℃下可實現自主愈合，愈合后的力學性能、防結冰性能（成核溫度、結冰延遲時間）以及除冰性能（冰粘附強度）均得到良好的恢復，從而有效抑制缺陷誘導的冰成核、傳遞和冰粘附。該工作與目前國際上已報道的防冰涂料相比，不僅可以在低溫下自主愈合，還可以同時抑制冰成核、傳遞和粘附，具有環境適應性和大規模涂裝潛力，為應用于戶外易損傷環境下防冰涂料的研發提供了新思路（圖4）。圖4 仿生自愈合防冰涂料-20℃下的自愈合性能及同已報道的防冰涂料性能對比張雷，天津大學化工學院生物化工系教授、系主任、博士生導師，國家自然科學基金優秀青年基金獲得者。主要研究方向包括生物化工與合成生物學、低溫保護、功能材料、防冰涂料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, CES, Research, Engineering等期刊發表論文100多篇。楊靜，天津大學化工學院副教授、博士生導師。主持國家級重點項目、國家自然科學基金、天津市基金、教育部博士后基金等項目。主要研究方向為細胞保存、仿皮膚材料、合成生物學等。已在Nature Communications, Research, Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, AIChE Journal等刊物發表第一作者/通訊作者SCI論文40余篇。田澍，天津大學化工學院博士研究生。主要研究方向為功能防護涂料開發與應用。目前以第一作者/共同第一作者身份在Research, Small, CES, Chemical Engineering Journal, Biosensors & Bioelectronics, ACS Sustainable Chemical & Engineering, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊發表論文10余篇。
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