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天津大學張雷教授/楊靜副教授《Research》：抑制缺陷誘導冰成核、擴散、粘附的仿生自愈合防冰涂料

2023-05-10 來源：高分子科技

戶外基礎設施（如風電葉片、飛機、輸電線路等）表面覆冰會造成重大的經濟損失和安全隱患，防冰涂料作為一種主動防冰策略通過抑制結冰和促進脫冰的特性受到了廣泛關注。

戶外應用的防冰涂料難免會遭受風沙沖蝕、異物撞擊等造成機械損傷，從而使涂料層受到破壞從而失去保護功能。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險。因此，開發具有自主愈合能力、能夠實現“涂后不管”的新型防冰涂料，具有著重要的實際應用意義。

然而，涂料表面損傷缺陷對其防/除冰性能的影響機制卻鮮有探究，且當前解決防冰涂料損傷問題仍是該領域一項挑戰。近日，天津大學化工學院張雷、楊靜團隊在Science合作期刊《Research》（IF=11.036）上發表了題為“Inhibition of Defect-Induced Ice Nucleation, Propagation, and Adhesion by Bioinspired Self-Healing Anti-Icing Coatings”的研究論文。首次系統地揭示了涂料表面機械損傷對涂料防除冰性能的影響機制，并提供了一種在低溫下可自主自愈合的仿生防冰涂料。天津大學化工學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，天津大學化工學院為第一單位，合作單位為濱州魏橋國科高等技術研究院。該研究得到了國家自然科學基金的支持。

圖1 表面機械損傷對涂料防除冰性能的影響機制及仿生自愈合防冰涂料設計思路

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

圖2 缺陷誘導涂料表面冰成核、擴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，開發一種可自主自愈合的防冰涂料至關重要。基于前期防冰涂料的工作（Nat. Commun. 2020, 11, 2037； Small 2023, 19, 2206075），該團隊研究挖掘了天然抗凍蛋白的關鍵抗凍模塊（冰結合位點IBS與非冰結合位點NIBS），通過抗凍模塊結構構建了仿抗凍蛋白聚合物PDSB，并加入到自愈合材料基質中，創制了具優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側鏈通過離子溶劑化作用與水分子結合模擬非并結合模塊（NIBS）；PDMS主鏈通過Si-O-Si結構與冰晶發生晶格匹配結合以及疏水甲基調節界面水，模擬冰結合模塊（IBS）。結果表明，PDSB可以有效抑制冰成核、冰晶生長和重結晶（圖3）。

圖3 仿抗凍蛋白聚合物設計及抗凍性能

該涂料通過PDSB的NIBS模擬模塊結合水分子，降低表面冰的成核溫度，通過PDSB的IBS模擬模塊抑制冰晶擴散傳遞，提高了涂料的防結冰性能，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量級。此外，涂料通過低表面能結構以及兩性離子鏈段與界面水分子形成的不凍結水，表面冰粘附強度降低至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冰/除冰機制及性能

另外，該涂料通過分子結構中的強氫鍵、弱氫鍵、二硫鍵以及靜電相互作用多重動態鍵實現其在低溫自愈合性能，表面損傷在-20℃下可實現自主自愈合，愈合后的力學性能、防結冰性能、除冰性能均得到有效恢復，從而有效抑制缺陷誘導的冰成核、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勢，具有良好的環境適應性和大規模裝涂的潛力，為應用于戶外易損傷環境下防冰涂料的研發提供了新思路（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道的防冰涂料性能對比

通訊作者簡介

張雷，天津大學化工學院生物化工系教授、系主任、博士生導師，國家自然科學基金優秀青年基金獲得者。主要研究方向包括生物化工與合成生物學、低溫保護、功能材料、防冰涂料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, CES, Research, Engineering等期刊發表論文100多篇。

楊靜，天津大學化工學院副教授、博士生導師。主持國家級重點項目、國家自然科學基金、天津市基金、教育部博士后基金等項目。主要研究方向為細胞保存、仿皮膚材料、合成生物學等。已在Nature Communications, Research, Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, AIChE Journal等刊物發表第一作者/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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（責任編輯：xu）

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