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天津大學(xué)張雷教授/楊靜副教授《Small》:抗極端環(huán)境自愈合的防冰涂料
2022-12-21  來源:高分子科技

  戶外基礎(chǔ)設(shè)施表面的防冰涂料極易受到機(jī)械損傷,這不僅會(huì)造成涂料的“失效”,甚至還會(huì)加速表面結(jié)冰、增加除冰難度。具有自主愈合功能的防冰涂料可以有效延長(zhǎng)涂料的使用壽命并保持其防冰性能。然而,防冰涂料的應(yīng)用環(huán)境是復(fù)雜多樣的,在一些極端環(huán)境(如冰凍天氣、酸雨等)下,涂料的自愈合性能面臨著挑戰(zhàn),因此開發(fā)出在各種極端環(huán)境下依然實(shí)現(xiàn)自愈合的防冰涂料是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。


  近日,天津大學(xué)化工學(xué)院張雷、楊靜團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊Small (IF=15.153上發(fā)表了題為“An Extreme-Environment-Resistant Self-Healing Anti-Icing Coating”的研究論文。天津大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生李瑞琪和博士研究生田澍為論文的共同第一作者。張雷教授楊靜副教授為通訊作者,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)基金和天津自然科學(xué)基金的支持。


  此前,該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于多重動(dòng)態(tài)鍵的“全天候”自愈合材料,首次實(shí)現(xiàn)了材料在低溫、水下、強(qiáng)酸堿等多種極端環(huán)境下的自主自愈合(Nat. Commun. 2020, 11, 2037)。此工作將自愈合材料氟化石墨烯納米填料 (FG) 結(jié)合,制備了一種可在低溫(-20℃)、強(qiáng)酸(pH=0)和強(qiáng)堿(pH=14)多種極端環(huán)境下自主自愈合的防冰涂料,且該防冰涂料表現(xiàn)出優(yōu)異的防結(jié)冰和節(jié)能除冰性能,如圖1。 


圖1 自愈合防冰涂料的設(shè)計(jì)


  由于自愈合材料多依賴于動(dòng)態(tài)氫鍵作用,而涂料表面氫鍵會(huì)造成冰與表面的強(qiáng)結(jié)合力,這導(dǎo)致了自愈合性能和防/除冰性能難以兼?zhèn)。該工作將疏水的氟化石墨烯(FG)加入到自愈合材料中制備防冰涂料,F(xiàn)G覆蓋了涂料表面氫鍵,顯著提高自愈合了涂料的防/除冰能力,如圖2所示,同時(shí)維持了材料優(yōu)異的自愈合性能。 


圖2 自愈合涂料防冰機(jī)制


  如圖3a所示,該防冰涂料可以顯著降低水在鋼片表面的非均相成核(HIN)溫度,加入5 wt% FG的自愈合涂料(SHF5)的HIN溫度可低至-30.3℃。同時(shí)涂料可以顯著延遲鋼片表面水的結(jié)冰時(shí)間(圖3b),SHF5將鋼片表面水滴的結(jié)冰時(shí)間(7 s)延長(zhǎng)了40倍(285 s)。另外該涂料具有良好的節(jié)能除冰性能,冰剪切強(qiáng)度最低為48.7 kPa,并且在50次結(jié)冰/除冰循環(huán)期間的保持穩(wěn)定(圖3c);此外,F(xiàn)G還賦予了該涂料優(yōu)異的光熱除冰性能(圖3d)。 


圖3 自愈合涂料的防結(jié)冰、除冰性能


  該涂料在4 ℃、-20 ℃、pH=0、pH=14等極端環(huán)境下均可實(shí)現(xiàn)自主愈合的效果,如圖4。 


圖4 涂料在不同環(huán)境下的自主自愈合性能


  此外,涂料表面損傷會(huì)促進(jìn)結(jié)冰并通過與冰之間的“互鎖結(jié)構(gòu)”導(dǎo)致難除冰。該工作進(jìn)一步研究了涂料自修復(fù)后的防結(jié)冰/除冰性能。結(jié)果顯示,相較于未損傷的自愈合涂料,愈合后的涂料成核溫度(-27.5℃)、冰剪切強(qiáng)度(50.2 kPa)等防冰、除冰性能均恢復(fù)良好。經(jīng)過10次損傷/愈合循環(huán)后,仍保持良好的除冰性能,如圖5。 



圖5 SHF1損傷及愈合后的防結(jié)冰、除冰性能


  該工作相比于國際上報(bào)道的自愈合防冰涂料,該涂料兼具:1)不需要外界刺激,可實(shí)現(xiàn)自主愈合;(2)可在多種極端環(huán)境下愈合;(3)愈合后仍保持良好的除冰性能等特點(diǎn)(圖6)。本工作開發(fā)了一種可在極端環(huán)境下自愈合的防冰涂料,對(duì)在極端環(huán)境下基礎(chǔ)設(shè)備表面防除冰具有實(shí)分重要的意義。 


圖6 本工作涂料與國際上報(bào)道的自愈合防冰涂料性能對(duì)比


  論文信息:

  An Extreme-Environment-Resistant Self-healing Anti-icing Coating

  Ruiqi Li #, Shu Tian#, Yunqing Tian, Jiancheng Wang, Sijia Xu, Kai Yang, Jing Yang* and Lei Zhang*

  Small 2022. DOI:10.1002/smll.202206075

  全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202206075


通訊作者簡(jiǎn)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、海洋涂料等。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, 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。
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