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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(huì)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(dòng)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(huì)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(duì)涂裝人員的人生安全存在極大的風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)際應(yīng)用意義。


  然而，涂料表面損傷缺陷對(duì)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(xiàng)挑戰(zhàn)。近日，天津大學(xué)化工學(xué)院張雷、楊靜團(tuán)隊(duì)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(jī)械損傷對(duì)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。 


圖1 表面機(jī)械損傷對(duì)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(jì)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(gè)水滴完全結(jié)冰。并且凍結(jié)水滴會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(diǎn)IBS與非冰結(jié)合位點(diǎn)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(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(dòng)態(tài)鍵實(shí)現(xiàn)其在低溫自愈合性能，表面損傷在-20℃下可實(shí)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(bào)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）。 


圖5 仿生自愈合防冰涂料-20℃下的自愈合性能及同已報(bào)道的防冰涂料性能對(duì)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(jí)重點(diǎn)項(xiàng)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(xiàng)目。主要研究方向?yàn)榧?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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