超級(jí)涂層為戶外設(shè)備披上“防寒服” 傳統(tǒng)方法除冰效率低耗能高

天氣日漸寒冷，人們穿上了防寒服御寒保暖。但是像飛機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、輸電線路和公路等基礎(chǔ)設(shè)施如果也怕冷該怎么辦?記者11月17日從天津大學(xué)獲悉，該校化工學(xué)院張雷教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)“超級(jí)涂層”。這種新型涂層能夠?yàn)閼敉狻⒏呖铡⒏吆拳h(huán)境下的儀器設(shè)備穿上“防寒服”，實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗、無(wú)損傷防冰除冰。相關(guān)成果已發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《化學(xué)工程雜志》。

傳統(tǒng)方法除冰效率低耗能高

在高空高寒環(huán)境下，飛機(jī)、輸電線路等設(shè)備表面結(jié)冰常常帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成災(zāi)難性事故。目前主流除冰方法有電熱除冰、熱風(fēng)除冰、機(jī)械除冰等。但這些技術(shù)方法通常效率低且耗能高。其他基于化學(xué)試劑(如噴灑鹽溶液)的除冰方法雖可以降低水的凝固點(diǎn)、減少設(shè)備表面的積冰，但對(duì)環(huán)境有害且對(duì)金屬設(shè)備表面有腐蝕作用。

如何制備出一種高效、節(jié)能、環(huán)保且適用于高空高寒環(huán)境的防冰、除冰涂層成為科學(xué)家面臨的重要挑戰(zhàn)。

“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(shuō)不夠持久結(jié)實(shí)，容易被破壞損傷。”研發(fā)團(tuán)隊(duì)青年教師楊靜說(shuō)，“這些設(shè)備可能都在戶外環(huán)境中，有些還處在比較極端的環(huán)境，會(huì)遭遇風(fēng)沙侵襲等，如果涂層的魯棒性與穩(wěn)定性不好，就會(huì)影響長(zhǎng)期除冰的效果。”

新材料為防結(jié)冰上了“三保險(xiǎn)”

張雷團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用新型兩親性材料結(jié)合光熱碳纖維，研發(fā)出一種利用太陽(yáng)光產(chǎn)熱的“超級(jí)涂層”。這種超級(jí)涂層融合了可降低冰點(diǎn)的親水鏈段PVP、低表面能材料PDMS、可吸收太陽(yáng)能的光熱碳纖維，為防止設(shè)備表面不結(jié)冰上了“三重保險(xiǎn)”。

張雷解釋，設(shè)備表面結(jié)冰，往往是水先附著在材料的表面而后凍結(jié)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(diǎn)，相當(dāng)于延遲了這個(gè)過(guò)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?yàn)橛械捅砻婺懿牧系耐繉樱猿床说臅r(shí)候能達(dá)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(gè)親水一個(gè)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(lián)網(wǎng)絡(luò)中。由于新鏈段中有低表面能鏈段，因此很容易與交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)融合。親水鏈段會(huì)遷移到涂層表面，使這種新型涂層同時(shí)具備了降低冰點(diǎn)和附著力兩種性能。

而后張雷團(tuán)隊(duì)又把這種兩親性高分子材料與納米碳纖維結(jié)合，納米碳纖維的加入不僅可以吸收太陽(yáng)光產(chǎn)熱除冰，更由于它的疏水性而進(jìn)一步降低了PDMS基涂層表面的附著力。“新型涂層在太陽(yáng)光照下，表面溫度可以達(dá)到46℃。既可以發(fā)熱融冰，又極大降低了冰附著力，僅依靠風(fēng)力、重力等自然條件，就能使設(shè)備表面的覆冰輕松脫落。”楊靜說(shuō)。

工藝簡(jiǎn)單成本低穩(wěn)定性高

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型涂層穩(wěn)定性良好，經(jīng)過(guò)30次的循環(huán)抗冰測(cè)試，冰附著強(qiáng)度都沒(méi)有明顯的變化。而且可經(jīng)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(xué)性質(zhì)，而非依賴涂層表面上制備微結(jié)構(gòu)或涂有潤(rùn)滑油等工藝方法，因此涂層抗冰性能更加穩(wěn)定，魯棒性更突出。

“這種新型涂層利用了創(chuàng)新性的想法和設(shè)計(jì)，對(duì)于涂層的原料配比和制作工藝還有待優(yōu)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(chǎn)業(yè)化，因此未來(lái)實(shí)際應(yīng)用的前景可期，有望成為高空、戶外等環(huán)境下各類大型設(shè)備、精密儀器的“防寒服”。“下一步，我們將致力于開(kāi)發(fā)出更極端、惡劣環(huán)境下可以維持抗冰效果的涂層，相關(guān)工作正在研究過(guò)程中。”(陳 曦)