飛機、風力渦輪機、輸電線路和公路等基礎設施表面結冰會造成重大的經(jīng)濟損失甚至造成災難性事故。當前除掉積冰的方法主要包括電熱除冰、熱風除冰和機械除冰等，但這些技術方法通常效率低且耗能。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(huán)境有害且對金屬設備表面有腐蝕作用。因此，如何制備一種新型節(jié)能、環(huán)保、適用于戶外與高空的高效防除冰涂層仍然是一個挑戰(zhàn)。
近日，天津大學化工學院生物化工系張雷教授課題組在化工頂級期刊《Chemical Engineering Journal》（影響因子10.652）上發(fā)表了一種適用于戶外、高空的太陽光響應型防除冰涂層研究。天津大學化工學院博士研究生郭洪爽為論文的第一作者，張雷教授和青年教師楊靜為通訊作者，天津大學化工學院為論文的第一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金委以及中國博士后科學基金面上項目等支持。
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圖1太陽光響應型防除冰涂層制備方法
該工作利用新型兩親性材料結合光熱碳纖維，開發(fā)了一種太陽光響應產(chǎn)熱、可高效防冰與除冰的新型涂層，且制備出的涂層具“魯棒性”，可承受長時間的酸雨、沙粒沖刷，適用于戶外、高空等基礎設備（如圖1）。該涂層的優(yōu)異性能關鍵在于將可降低冰點的親水鏈段PVP、低表面能PDMS、與光熱碳纖維有機協(xié)同的融合：可以降低冰點的親水PVP鏈段，有效防止冰的形成；碳纖維的加入不僅可以吸收太陽光產(chǎn)熱除冰，更進一步降低了PDMS基涂層表面的附著力，可使積冰在陽光的照射下，僅依靠風力、重力等自然條件除去。此外，新型涂層穩(wěn)定性良好，經(jīng)過30次的循環(huán)抗冰測試，冰附著強度都沒有明顯的變化（如圖2）。
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圖2冰附著力測試與循環(huán)試驗
在太陽光的照射下，該涂層表面溫度可以達到46℃，與冰接觸的表面先融化，進而更加降低了冰與基質的附著力，在重力的作用下冰就可以輕松脫落（如圖3）。另外，該涂層還表現(xiàn)出戶外應用所需的“魯棒性”，可經(jīng)受酸雨、落沙的沖刷，涂層冰附著強度沒有明顯的變化（如圖4）。本工作開發(fā)了一種太陽光響應型節(jié)能環(huán)保、穩(wěn)定高效的防除冰新涂層，對戶外、高空的基礎設備表面防除冰應用具有十分重要的意義。
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圖3涂層光熱除冰效果
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圖4模仿酸雨和落沙實驗示意圖
作者簡介：
張雷，天津大學化工學院教授、博士生導師、生物化工系主任。入選“國家級海外人才計劃”、國家自然科學基金委“優(yōu)秀青年科學基金”、教育部“新世紀優(yōu)秀人才支撐計劃”、天津市“中青年科技創(chuàng)新領軍人才”、“侯德榜化工青年獎”、“天津首屆青年創(chuàng)新能手”等，榮獲2020年天津大學“我心目中的十佳導師”。擔任《中國化工學報（英文版）》編委。一直致力于將親水分子的抗生物粘附、抗凍保護等獨特性質，應用于生物化工多個領域，包括人造胰島、細胞超低溫凍存、抗凍電子皮膚材料、海洋抗污涂料、抗菌涂料等。
楊靜，天津大學化工學院講師、碩士生導師，入選科技委人才。主要從事細胞保存、仿生抗冰材料、柔性電子皮膚材料等領域的研究。
課題組主頁：
http://bpetc.tju.edu.cn/zhanglab.html
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