超级涂层将“冷衣服”放在户外设备上

天气越来越冷，所以人们穿冬天的衣服来保暖。但如果飞机、风力发电机、输电线路、高速公路等基础设施也怕冷呢？记者11月17日从天津大学获悉，天津大学化学工程学院张磊教授团队成功研制出“超级涂料”。这种新型涂层可以在室外、高空、寒冷等环境下为仪器设备穿上“御寒服”，实现高效、低能耗、无损伤的防冰除冰。相关成果已发表于国际权威期刊《化学工程杂志》。

传统方法除冰效率低耗能高

在高空寒冷环境下，飞机、输电线路等设备表面结冰往往会带来巨大的经济损失，甚至灾难性事故。目前主流的除冰方法有电热除冰、热风除冰、机械除冰等。然而，这些技术方法通常效率低且耗能。其他基于化学试剂的除冰方法(如喷洒盐溶液)可以降低水的冰点和设备表面的积冰，但对环境有害，对金属设备表面有腐蚀性。

如何制备一种高效、节能、环保、适用于高海拔和寒冷环境的防冰除冰涂层已成为科学家面临的重要挑战。

“目前，尖端涂层材料通常成本高或坚固性差，即不够耐用，容易损坏。”R&D团队的一名年轻教师杨静说：“这些设备可能在室外环境中，有些仍然在更极端的环境中，会受到风和沙的攻击。如果涂层的坚固性和稳定性不好，会影响长期除冰效果。”

新材料为防结冰上了“三保险”

张磊的团队采取了不同的方法，开发了一种“超级涂层”，通过使用新型两亲性材料结合光热碳纤维，利用阳光产生热量。这种超级涂层结合了可降低冰点的亲水段聚乙烯吡咯烷酮、低表面能材料PDMS和可吸收太阳能的光热碳纤维，从而提供了防止设备表面冻结的三重保险。

张磊解释说，当设备表面结冰时，水通常先附着在材料表面，然后结冰。“我们使用了亲水性片段，可以结合水分子，降低水的冰点，相当于延缓了这个过程。”

PDMS是一种低表面能材料，附着力很低，可以降低冰雪的附着力。就像不粘锅涂上一层低表面能的材料，在烹饪时可以达到不粘的效果。

"我们将亲水链段与低表面能材料结合，制成一种新型的两亲性涂层."杨静介绍说，这两种材料是亲水和疏水的。我们都知道亲水性材料和疏水性材料不能互相融合，就像水和油不能融合一样。为此，我们将低表面能疏水链段两端的亲水链段连接起来，形成两亲性嵌段聚合物，然后将两亲性嵌段聚合物“编织”成低表面能材料的交联网络。由于新片段中存在低表面能片段，很容易与交联网络合并。亲水链段会迁移到涂层表面，使新涂层既有凝固点降低，又有附着力。

后来，张磊的团队将这种两亲性聚合物材料与碳纳米纤维结合在一起。碳纳米纤维的加入不仅可以吸收阳光产生热量和除冰，而且由于其疏水性，还可以进一步降低PDMS基涂层表面的附着力。“新涂层在阳光下的表面温度可达46。它不仅可以加热和融化冰，还可以大大降低冰的附着力。只有依靠风和重力等自然条件，设备表面的冰才容易脱落。”杨静说。

工艺简单成本低稳定性高

实验结果表明，新涂层具有良好的稳定性，经过30次防冰试验后，冰附着强度没有明显变化。而且还能经受酸雨、沙石侵蚀，甚至200砂纸打磨。“这种新型涂料采用了创新的理念和设计，涂料的原料配比和生产工艺还有待优化。”据张磊介绍，涂层中使用的三种材料成本不高，制造工艺更适合产业化。因此，未来的实际应用前景可期，有望成为各种大型设备和精密仪器在高空和室外环境下的“冷服”。“下一步，我们将重点开发能够在更极端和恶劣环境下保持防冰效果的涂层，相关工作正在研究中。”