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天津大學(xué)張雷教授/楊靜副教授《Research》:抑制缺陷誘導(dǎo)冰成核、擴(kuò)散、粘附的仿生自愈合防冰涂料
2023-05-10  來源:高分子科技

  戶外基礎(chǔ)設(shè)施(如風(fēng)電葉片、飛機(jī)、輸電線路等)表面覆冰會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患,防冰涂料作為一種主動防冰策略通過抑制結(jié)冰和促進(jìn)脫冰的特性受到了廣泛關(guān)注。


  戶外應(yīng)用的防冰涂料難免會遭受風(fēng)沙沖蝕、異物撞擊等造成機(jī)械損傷,從而使涂料層受到破壞從而失去保護(hù)功能。但是防冰涂料的重新刷涂不但極大的增加了成本,且對涂裝人員的人生安全存在極大的風(fēng)險。因此,開發(fā)具有自主愈合能力、能夠?qū)崿F(xiàn)“涂后不管”的新型防冰涂料,具有著重要的實際應(yīng)用意義。


  然而,涂料表面損傷缺陷對其防/除冰性能的影響機(jī)制卻鮮有探究,且當(dāng)前解決防冰涂料損傷問題仍是該領(lǐng)域一項挑戰(zhàn)。近日,天津大學(xué)化工學(xué)院張雷、楊靜團(tuán)隊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(jī)械損傷對涂料防除冰性能的影響機(jī)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。 


圖1 表面機(jī)械損傷對涂料防除冰性能的影響機(jī)制及仿生自愈合防冰涂料設(shè)計思路


  該工作首先通過高速攝像觀察損傷表面的結(jié)冰行為,結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫下?lián)p傷缺陷處優(yōu)先產(chǎn)生冰晶進(jìn)而擴(kuò)散至整個水滴完全結(jié)冰。并且凍結(jié)水滴會以缺陷為“冰橋”,向鄰近水滴傳遞,最終使相鄰水滴凍結(jié)。通過第一性原理和有限元模擬發(fā)現(xiàn),涂層缺陷處與水分子的吸附能力更強(qiáng)、傳熱速度更快,因此缺陷處的水滴更容易成核結(jié)冰。另外,冰會嵌入到缺陷中形成“互鎖結(jié)構(gòu)”,從而增加了冰的粘附強(qiáng)度和除冰難度。 


圖2 缺陷誘導(dǎo)涂料表面冰成核、擴(kuò)散傳遞以及冰粘附行為


  為了抵抗缺陷對涂料防/除冰性能的降低,開發(fā)一種可自主自愈合的防冰涂料至關(guān)重要;谇捌诜辣苛系墓ぷ鳎Nat. Commun. 2020, 11, 2037 Small 2023, 19, 2206075),該團(tuán)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),通過抗凍模塊結(jié)構(gòu)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,創(chuàng)制了具優(yōu)異防除冰性能的防冰涂層,該涂層可在零下20度自主愈合的防冰涂料。


  仿抗凍蛋白PDSB是將兩性離子鏈段(SB)接枝在聚二甲基硅氧烷(PDMS)主鏈上,其中SB側(cè)鏈通過離子溶劑化作用與水分子結(jié)合模擬 非并結(jié)合模塊(NIBS);PDMS主鏈通過Si-O-Si結(jié)構(gòu)與冰晶發(fā)生晶格匹配結(jié)合以及疏水甲基調(diào)節(jié)界面水,模擬冰結(jié)合模塊(IBS)。結(jié)果表明,PDSB可以有效抑制冰成核、冰晶生長和重結(jié)晶(圖3)。 


圖3 仿抗凍蛋白聚合物設(shè)計及抗凍性能


  該涂料通過PDSB的NIBS模擬模塊結(jié)合水分子,降低表面冰的成核溫度,通過PDSB的IBS模擬模塊抑制冰晶擴(kuò)散傳遞,提高了涂料的防結(jié)冰性能,該涂料表面冰的非均相成核溫度低至-29.4℃、冰傳遞速度相比于鋼板降低了兩個數(shù)量級。此外,涂料通過低表面能結(jié)構(gòu)以及兩性離子鏈段與界面水分子形成的不凍結(jié)水,表面冰粘附強(qiáng)度降低至38.9 kPa,提高了除冰能力(圖4)。 


圖4 仿生自愈合防冰涂料的防結(jié)冰/除冰機(jī)制及性能


  另外,該涂料通過分子結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)氫鍵、弱氫鍵、二硫鍵以及靜電相互作用多重動態(tài)鍵實現(xiàn)其在低溫自愈合性能,表面損傷在-20℃下可實現(xiàn)自主自愈合,愈合后的力學(xué)性能、防結(jié)冰性能、除冰性能均得到有效恢復(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,在低溫下自主愈合,抑制冰成核、傳遞,以及魯棒性等方面均具有優(yōu)勢,具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和大規(guī)模裝涂的潛力,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5)。 


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


通訊作者簡介


  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(hù)、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。


  論文信息:Inhibition of Defect-Induced Ice Nucleation, Propagation, and Adhesion by Bioinspired Self-Healing Anti-Icing Coatings

  Shu Tian, Ruiqi Li, Xinmeng Liu, Jiancheng Wang, Junyu Yu, Sijia Xu, Yunqing Tian, Jing Yang* and Lei Zhang*

  Research 2023. DOI: 10.34133/research.0140

  全文鏈接:https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0140

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