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新材料為防結冰上了“三保險” 超級涂層為戶外設備披上“防寒服”

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日期:2020-11-20 15:56:32    來源:科技日報    

天氣日漸寒冷,人們穿上了防寒服御寒保暖。但是像飛機、風力渦輪機、輸電線路和公路等基礎設施如果也怕冷該怎么辦?記者11月17日從天津大學獲悉,該?;W院張雷教授團隊成功研發“超級涂層”。這種新型涂層能夠為戶外、高空、高寒等環境下的儀器設備穿上“防寒服”,實現高效率、低能耗、無損傷防冰除冰。相關成果已發表于國際權威期刊《化學工程雜志》。

傳統方法除冰效率低耗能高

在高空高寒環境下,飛機、輸電線路等設備表面結冰常常帶來重大經濟損失,甚至造成災難性事故。目前主流除冰方法有電熱除冰、熱風除冰、機械除冰等。但這些技術方法通常效率低且耗能高。其他基于化學試劑(如噴灑鹽溶液)的除冰方法雖可以降低水的凝固點、減少設備表面的積冰,但對環境有害且對金屬設備表面有腐蝕作用。

如何制備出一種高效、節能、環保且適用于高空高寒環境的防冰、除冰涂層成為科學家面臨的重要挑戰。

“目前比較前沿的涂層材料往往成本較高,或魯棒性比較差,也就是說不夠持久結實,容易被破壞損傷。”研發團隊青年教師楊靜說,“這些設備可能都在戶外環境中,有些還處在比較極端的環境,會遭遇風沙侵襲等,如果涂層的魯棒性與穩定性不好,就會影響長期除冰的效果。”

新材料為防結冰上了“三保險”

張雷團隊另辟蹊徑,利用新型兩親性材料結合光熱碳纖維,研發出一種利用太陽光產熱的“超級涂層”。這種超級涂層融合了可降低冰點的親水鏈段PVP、低表面能材料PDMS、可吸收太陽能的光熱碳纖維,為防止設備表面不結冰上了“三重保險”。

張雷解釋,設備表面結冰,往往是水先附著在材料的表面而后凍結成冰。“我們使用了親水鏈段,它可以束縛水分子,降低水的冰點,相當于延遲了這個過程。”

低表面能材料PDMS具有很低的附著能力,能降低冰雪附著。就像不粘鍋因為有低表面能材料的涂層,所以炒菜的時候能達到不粘的效果一樣。

“我們把親水鏈段和低表面能材料融合,制作成為一種新型兩親性涂料。”楊靜介紹,這兩種材料一個親水一個疏水,我們都知道親水材料和疏水材料是不能互相融合的,就像水和油不能融合一樣。為此,我們將低表面能疏水鏈段兩端接上親水鏈段,形成兩親性嵌段高分子,而后再把這種兩親性高分子“編織”到低表面能材料的交聯網絡中。由于新鏈段中有低表面能鏈段,因此很容易與交聯網絡融合。親水鏈段會遷移到涂層表面,使這種新型涂層同時具備了降低冰點和附著力兩種性能。

而后張雷團隊又把這種兩親性高分子材料與納米碳纖維結合,納米碳纖維的加入不僅可以吸收太陽光產熱除冰,更由于它的疏水性而進一步降低了PDMS基涂層表面的附著力。“新型涂層在太陽光照下,表面溫度可以達到46℃。既可以發熱融冰,又極大降低了冰附著力,僅依靠風力、重力等自然條件,就能使設備表面的覆冰輕松脫落。”楊靜說。

工藝簡單成本低穩定性高

實驗結果表明,這種新型涂層穩定性良好,經過30次的循環抗冰測試,冰附著強度都沒有明顯的變化。而且可經受酸雨、落沙的沖刷,甚至可耐受200次砂紙摩擦。楊靜介紹,由于這種新型涂層利用的都是材料本身固有的物理化學性質,而非依賴涂層表面上制備微結構或涂有潤滑油等工藝方法,因此涂層抗冰性能更加穩定,魯棒性更突出。

“這種新型涂層利用了創新性的想法和設計,對于涂層的原料配比和制作工藝還有待優化。”張雷介紹,涂層利用的3種材料成本都不高,制作工藝也更適宜于產業化,因此未來實際應用的前景可期,有望成為高空、戶外等環境下各類大型設備、精密儀器的“防寒服”。“下一步,我們將致力于開發出更極端、惡劣環境下可以維持抗冰效果的涂層,相關工作正在研究過程中。”(陳 曦)

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