受損防冰涂料反而“促結(jié)冰”？我國科學(xué)家開發(fā)可自我修復(fù)防冰涂料不懼損傷，可實現(xiàn)戶外長效防冰！
2023-05-10 14:06:52
作者： 高分子科學(xué)前沿 來源： 高分子科學(xué)前沿
分享至：
戶外基礎(chǔ)設(shè)施和工程裝備（主要包括風(fēng)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(yán)重的人員傷亡和重大的經(jīng)濟損失。
用于戶外基礎(chǔ)設(shè)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(dǎo)致表面發(fā)生嚴(yán)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(chǎn)生的負(fù)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(lǐng)域面臨的關(guān)鍵難題。開發(fā)具有自主愈合能力、克服機械損傷，能夠?qū)崿F(xiàn)戶外長效防除冰的新型防冰涂料對于實際應(yīng)用具有重要意義。天津大學(xué)化工學(xué)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(fā)的基于多重動態(tài)鍵的“全天候”自愈合材料首次實現(xiàn)了在低溫、水下、強酸/堿等極端環(huán)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(jié)合，制備出自愈合光熱防冰涂層（Small 2023, 19, 2206075）應(yīng)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(xué)化工學(xué)院張雷、楊靜團隊在Science合作期刊《Research》（IF=11.036）上發(fā)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(tǒng)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(xué)化工學(xué)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(xué)化工學(xué)院為第一單位，合作單位為濱州魏橋國科高等技術(shù)研究院。該研究得到了國家自然科學(xué)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(jié)冰過程。通過高速攝像觀察到，低溫下缺陷處優(yōu)先產(chǎn)生冰晶進而擴散至整個水滴完全結(jié)冰。已凍結(jié)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(jié)。通過第一性原理和有限元計算發(fā)現(xiàn)，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(jié)冰。另外，缺陷處結(jié)冰后會與冰形成嵌入式“互鎖結(jié)構(gòu)”，增加了冰在涂料表面的粘附強度和除冰難度。缺陷誘導(dǎo)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(jié)冰”變?yōu)?ldquo;促結(jié)冰”。圖1 缺陷誘導(dǎo)涂料表面冰成核、擴散傳遞以及冰粘附行為和機制③ 仿抗凍蛋白材料實現(xiàn)涂料表面冰的“防結(jié)易除”該團隊研究挖掘了天然抗凍蛋白的關(guān)鍵抗凍模塊（冰結(jié)合位點IBS與非冰結(jié)合位點NIBS），通過模擬IBS與NIBS抗凍模塊，構(gòu)建了仿抗凍蛋白聚合物PDSB，并加入到自愈合材料基質(zhì)中，制備了兼具優(yōu)異防結(jié)冰和易除冰性能的自愈合防冰涂料。圖2 仿抗凍蛋白聚合物及防冰涂料的設(shè)計示意圖該防冰涂料通過PDSB的“NIBS”模擬模塊結(jié)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(jié)冰性能。結(jié)果表明，與鋼板相比，該涂料的冰成核溫度降低了-15.8℃、結(jié)冰延遲了48.4倍、冰擴散速度下降兩個數(shù)量級。此外，涂料通過低表面能結(jié)構(gòu)以及兩性離子SB鏈段與界面水分子形成的不凍結(jié)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）。圖3 仿生自愈合防冰涂料的防結(jié)冰/除冰機制及性能④ 多重動態(tài)鍵實現(xiàn)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(jié)構(gòu)中的強氫鍵、弱氫鍵、二硫鍵以及靜電相互作用實現(xiàn)優(yōu)異的低溫自愈合性能，表面損傷缺陷在-20℃下可實現(xiàn)自主愈合，愈合后的力學(xué)性能、防結(jié)冰性能（成核溫度、結(jié)冰延遲時間）以及除冰性能（冰粘附強度）均得到良好的恢復(fù)，從而有效抑制缺陷誘導(dǎo)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(huán)境適應(yīng)性和大規(guī)模涂裝潛力，為應(yīng)用于戶外易損傷環(huán)境下防冰涂料的研發(fā)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(xué)化工學(xué)院生物化工系教授、系主任、博士生導(dǎo)師，國家自然科學(xué)基金優(yōu)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(xué)、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(fā)表論文100多篇。楊靜，天津大學(xué)化工學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師。主持國家級重點項目、國家自然科學(xué)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(xì)胞保存、仿皮膚材料、合成生物學(xué)等。已在Nature Communications, Research, Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, AIChE Journal等刊物發(fā)表第一作者/通訊作者SCI論文40余篇。田澍，天津大學(xué)化工學(xué)院博士研究生。主要研究方向為功能防護涂料開發(fā)與應(yīng)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(fā)表論文10余篇。
免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請第一時間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。
