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天津大学化工学院张雷、杨静团队《Small》：一种可在极端环境下自主愈合的防冰涂料
2022-12-21 14:55:21 作者：高分子科学前沿 来源：高分子科学前沿 分享至：

 极端天气下，防冰涂料在户外使用过程中会不可避免地遭受物理损伤，表面的“伤口”不但会促进结冰，还会增加除冰的难度。受生物组织可自主愈合“伤口”的启发，赋予防冰涂料自愈合能力可解决其表面损伤的问题。然而自愈合性能与防/除冰性能通常不可兼得，因为自愈合材料多依赖动态氢键，而氢键也会导致涂料和冰之间的强结合力。此外，因低温下分子链移动性降低，水分子干扰可逆动态键重构等原因，开发可在极端环境下自愈合的材料也面临挑战。

为解决上述难题，天津大学化工学院张雷、杨静团队在国际知名期刊《Small》 （IF=15.153）上发表了题为”An Extreme-Environment-Resistant Self-Healing Anti-Icing Coating”的研究论文。天津大学化工学院的硕士研究生李瑞琪和博士研究生田澍为论文的共同第一作者，张雷教授和杨静副教授为通讯作者，合作单位为滨州魏桥国科高等技术研究院。该研究得到了国家自然科学基金的支持。
此前，该团队在国际知名期刊《Nature Communications》 （IF=17.694）上发表的题为”Universally autonomous self-healing elastomer with high stretchability”的研究论文，成功研发出一种“全天候”自愈合材料，可在严寒、深海、强酸碱等各种极端环境下实现快速自主愈合。基于该PDMS基材料，该团队结合氟化石墨烯（FG）以降低材料表面的动态氢键含量、进一步降低硅基材料的表面能，制备了一种可在低温（-20 ℃）、强酸（pH=0）、强碱（pH=14）下自主愈合的防冰涂料，且表现出良好的防冰和除冰性能，如图1。

图1自愈合防冰涂料的示意图和超分子弹性体的化学结构
首先对涂料的元素组成和化学结构进行了表征，发现随着氟化石墨烯含量的增多，涂料表面氟元素含量增多，表面氢键减少，如图2。该团队认为氟化石墨烯的加入可覆盖弹性体表面的部分氢键，从而降低冰和涂料间的粘附作用。

图2 涂料表面的元素组成和化学结构
因此，该团队对各涂料（氟化石墨烯含量不同）的防冰、除冰性能进行了表征，如图3。实验发现，涂料的结冰延迟时间最长为285 s，非均相成核温度最低为-30.3 ℃，冰剪切强度为48.7 kPa，在50次结冰/除冰循环期间的冰剪切强度保持稳定，此外该涂料还具有光热性能，有利于光热除冰。

图3涂料的防冰、除冰性能
此外，该团队还对涂料在不同环境下的自愈合性能进行了表征，如图4。实验发现，其在常温下2 h内可实现自主愈合，在4 ℃、-20℃、pH=0、pH=14的极端环境下24 h内可实现自主愈合，氟化石墨烯的加入并没有显著降低弹性体的自愈合效率。

图4材料在不同条件下的自主愈合性能
由于涂料表面的“伤口”会促进冰成核的发生，还会造成冰和表面的“互锁”，从而丧失防冰/除冰性能。因此，该工作还探究了涂料表面“伤口”愈合后的防冰/除冰性能，其冰成核温度可恢复至-27.5 ℃，冰剪切强度可恢复至50.2 kPa，且在经过10次损伤/愈合循环后，仍保持良好的除冰性能，如图5。

图5涂料愈合后的防冰/除冰性能
最后，该工作总结了最近报道的自愈合防冰涂料的主要性能，可以发现相较于其他自愈合防冰涂料，该涂料的主要优势为：（1）不需要外界刺激，可实现自主愈合；（2）可在多种极端环境下愈合；（3）愈合后仍保持良好的除冰性能，如图6。

图6对比前沿防冰涂料，本报道的自愈合防冰涂料优势

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