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會“療傷”的防冰涂層

2018-06-05 12:01:12 作者：本網整理來源：X-MOL 分享至：

結冰現象會給航空航天、海洋運輸、電力輸送、風力發電等領域帶來極大的危害。2008年，南方的雪災造成大面積飛機火車停運、水管凍裂、輸電塔輸電線損壞等等問題，給我國帶來了嚴重的經濟損失和人員傷亡，多達20余個省份受災。傳統的加熱、機械、化學試劑等物理化學主動除冰方法存在工作強度大、效率低、污染環境等缺點，防冰涂層（冰黏附強度 < 100 kPa）這種被動防冰技術能夠顯著降低材料表面的結冰現象，而且成本低、耗能小、易于實施，近年來受到了人們的廣泛關注和研究。其中，基于仿生原理構筑的多孔潤滑涂層（SLIPS）具有極低的冰粘附強度，展現出優異的防冰效果。但是，這種涂層易受損，且受損之后的表面防冰效果會大打折扣。研究既具有優良機械性能又具有長期防冰穩定性的材料，仍是一項挑戰性工作。

近日，挪威科技大學（NTNU）的Jianying He和Zhiliang Zhang等研究者，通過引入互穿聚合物網絡（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。該彈性體應用于防冰涂層，展示了優異的機械性能、較低的冰黏附強度（6.0 ± 0.9 kPa）以及長使用壽命。此外，長期防冰性能穩定性也讓人滿意，在50余次的結冰/除冰循環測試后仍能保持較低的冰黏附強度（？12.2 kPa）。

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

基于氫鍵、動態共價鍵、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態鍵的可逆斷裂/形成能夠簡便實現軟防冰涂層表面應用過程中機械損傷的自修復。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）反應制備了新型彈性體Py-PDMS用于構筑金屬配位鍵；并基于商業化PDMS和交聯劑Sylgard 184構筑了互穿聚合物網絡基體。

自愈合涂層互穿網絡結構及組成示意圖。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究人員引入Fe（III）構筑動態金屬離子配位交聯點，基于共價鍵交聯點（Fe-Py-PDMS）和動態配位鍵交聯點同時賦予彈性體涂層優異的機械性能和蠕變自修復特性。研究團隊通過調節兩組分質量比（8:0, 7:1, 5:3, 3:5, 0:8）構筑了一系列的防冰功能涂層；同時，采用拉曼光譜、紅外（FT-IR）對其相應的交聯網絡結構進行了表征。

涂層彈性體交聯網絡結構表征。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

引入Fe-Py-PDMS組分后，由于Fe（III）彈性體由透明變為橙色。通過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，不存在相分離現象。

涂層表面形貌及元素分布測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

采用準靜態納米壓痕技術對該彈性體涂層的機械性能進行表征，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Fe-Py-PDMS的增塑作用，使得其呈現更低的模量，分別為0.29 ± 0.01 MPa 和0.47 ± 0.03 MPa。同時，PDMS-Sylgard 184組分的加入能夠顯著調控Fe-Py-PDMS體系的蠕變行為。

彈性體體系模量及蠕變行為測試。圖片來源：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生滑移，并在新的位點實現金屬配位作用構筑交聯點，從而實現表面損失修復。PDMS-Sylgard 184組分的含量對涂層機械性能和蠕變自修復性能存在trade-off效應，可以按實際需要進行精確調控。

自修復機理及組分含量對材料自修復性能的影響測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在-18 °C測試環境下對防冰涂層（厚度：300-342μm）表面防冰性能進行測試，0-8（PDMS-Sylgard 184）涂層冰黏附強度為169.6 ±3.3 kPa，8-0（Fe-Py-PDMS）涂層冰黏附強度為 63.9 ± 2.2 kPa，而基于其超低模量IPN彈性體7-1展現出最優的防冰性能，冰黏附強度僅為6.0 ± 0.9 kPa。在自身重力作用或風力作用下，7-1的表面覆冰就能夠輕易除去。同時，該IPN涂層具有優異的性能穩定性，在50次結冰/除冰循環測試后其表面冰黏附強度只呈現略微升高（~12.2 ± 3.7 kPa），同時仍保持較好的自修復性能。