受损防冰涂料反而“促结冰”？我国科学家开发可自我修复防冰涂料不惧损伤，可实现户外长效防冰！

2023-05-10 14:06:52 作者：高分子科学前沿来源：高分子科学前沿分享至：

户外基础设施和工程装备（主要包括风电叶片、输电线路、飞机、海上石油平台等）表面覆冰时存在安全隐患，易造成严重的人员伤亡和重大的经济损失。

输电塔、飞机表面覆冰

用于户外基础设施表面的防冰涂层在露天场景下不可避免受到如冰雹、沙尘暴、高空异物等撞击，导致表面发生严重的机械损伤，降低防冰涂层的使用寿命。同时机械损伤对于涂层的防/除冰性能的可能产生的负面影响也缺乏深入的研究讨论。如何理解并克服机械损伤对于防冰涂层的影响是防冰领域面临的关键难题。

飞机表面涂料层损伤开裂

开发具有自主愈合能力、克服机械损伤，能够实现户外长效防除冰的新型防冰涂料对于实际应用具有重要意义。天津大学化工学院张雷、杨静团队长期从事自愈合、防冰抗冻材料的研究，团队开发的基于多重动态键的“全天候”自愈合材料首次实现了在低温、水下、强酸/碱等极端环境的自主自愈合（Nat. Commun. 2020, 11, 2037），之后团队将该材料与氟化石墨烯结合，制备出自愈合光热防冰涂层（Small 2023, 19, 2206075）应用于实际防/除冰工作。

天津大学化工学院张雷课题组

① 天大团队首次揭示机械损伤对涂料防/除冰性能的影响机制

近日，天津大学化工学院张雷、杨静团队在Science合作期刊《Research》（IF=11.036）上发表了题为“Inhibition of Defect-Induced Ice Nucleation, Propagation, and Adhesion by Bioinspired Self-Healing Anti-Icing Coatings”的研究论文。首次系统地揭示了涂料表面机械损伤对涂料防除冰性能的影响机制，并提供了一种在低温下可自主自愈合的仿生防冰涂料。天津大学化工学院博士研究生田澍为论文的第一作者，张雷教授和杨静副教授为通讯作者，天津大学化工学院为第一单位，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。

② 防冰涂料损伤后反而“促结冰”

该工作首先通过实验配合理论计算，探究了涂料损伤缺陷处的结冰过程。通过高速摄像观察到，低温下缺陷处优先产生冰晶进而扩散至整个水滴完全结冰。已冻结的水滴会以缺陷为“桥梁”，向邻近水滴进行冰晶的扩散传递，最终使相邻水滴冻结。通过第一性原理和有限元计算发现，涂料缺陷处与水分子的吸附能力更强、传热速度更快，因此冷凝水更容易在缺陷处成核结冰。另外，缺陷处结冰后会与冰形成嵌入式“互锁结构”，增加了冰在涂料表面的粘附强度和除冰难度。缺陷诱导冰成核、传递、粘附的过程如图1所示。值得注意的是钢板表面冰成核温度是-13.6℃，而损伤后涂料表面冰成核温度为-9.5℃，说明损伤使涂料从“防结冰”变为“促结冰”。

损伤表面的冰扩散

图1 缺陷诱导涂料表面冰成核、扩散传递以及冰粘附行为和机制

③ 仿抗冻蛋白材料实现涂料表面冰的“防结易除”

该团队研究挖掘了天然抗冻蛋白的关键抗冻模块（冰结合位点IBS与非冰结合位点NIBS），通过模拟IBS与NIBS抗冻模块，构建了仿抗冻蛋白聚合物PDSB，并加入到自愈合材料基质中，制备了兼具优异防结冰和易除冰性能的自愈合防冰涂料。

图2 仿抗冻蛋白聚合物及防冰涂料的设计示意图

该防冰涂料通过PDSB的“NIBS”模拟模块结合水分子，降低表面冰非均相成核温度，通过“IBS”模拟模块抑制冰晶扩散传递，提高了涂料的防结冰性能。结果表明，与钢板相比，该涂料的冰成核温度降低了-15.8℃、结冰延迟了48.4倍、冰扩散速度下降两个数量级。此外，涂料通过低表面能结构以及两性离子SB链段与界面水分子形成的不冻结水，降低了涂料的冰粘附强度，提高了涂料的除冰性能，冰粘附强度仅为空白钢板的1/23（图3）。

图3 仿生自愈合防冰涂料的防结冰/除冰机制及性能

④ 多重动态键实现涂料低温下自主自愈合及户外长期使用

该涂料通过材料分子结构中的强氢键、弱氢键、二硫键以及静电相互作用实现优异的低温自愈合性能，表面损伤缺陷在-20℃下可实现自主愈合，愈合后的力学性能、防结冰性能（成核温度、结冰延迟时间）以及除冰性能（冰粘附强度）均得到良好的恢复，从而有效抑制缺陷诱导的冰成核、传递和冰粘附。该工作与目前国际上已报道的防冰涂料相比，不仅可以在低温下自主愈合，还可以同时抑制冰成核、传递和粘附，具有环境适应性和大规模涂装潜力，为应用于户外易损伤环境下防冰涂料的研发提供了新思路（图4）。

图4 仿生自愈合防冰涂料-20℃下的自愈合性能及同已报道的防冰涂料性能对比

通讯作者简介

张雷，天津大学化工学院生物化工系教授、系主任、博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。主要研究方向包括生物化工与合成生物学、低温保护、功能材料、防冰涂料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, CES, Research, Engineering等期刊发表论文100多篇。

杨静，天津大学化工学院副教授、博士生导师。主持国家级重点项目、国家自然科学基金、天津市基金、教育部博士后基金等项目。主要研究方向为细胞保存、仿皮肤材料、合成生物学等。已在Nature Communications, Research, Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, AIChE Journal等刊物发表第一作者/通讯作者SCI论文40余篇。

第一作者简介

田澍，天津大学化工学院博士研究生。主要研究方向为功能防护涂料开发与应用。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等期刊发表论文10余篇。

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