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新材料为防结冰上了“三保险”,工艺简单成本低稳定性高2020-11-20 08:54:42 来源:科技日报 小 大 军事APP头条APP天气日渐寒冷,人们穿上了防寒服御寒保暖。但是像飞机、风力涡轮机、输电线路和公路等基础设施如果也怕冷该怎么办?记者11月17日从天津大学获悉,该校化工学院张雷教授团队成功研发“超级涂层”。这种新型涂层能够为户外、高空、高寒等环境下的仪器设备穿上“防寒服”,实现高效率、低能耗、无损伤防冰除冰。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
在高空高寒环境下,飞机、输电线路等设备表面结冰常常带来重大经济损失,甚至造成灾难性事故。目前主流除冰方法有电热除冰、热风除冰、机械除冰等。但这些技术方法通常效率低且耗能高。其他基于化学试剂(如喷洒盐溶液)的除冰方法虽可以降低水的凝固点、减少设备表面的积冰,但对环境有害且对金属设备表面有腐蚀作用。
如何制备出一种高效、节能、环保且适用于高空高寒环境的防冰、除冰涂层成为科学家面临的重要挑战。
“目前比较前沿的涂层材料往往成本较高,或鲁棒性比较差,也就是说不够持久结实,容易被破坏损伤。”研发团队青年教师杨静说,“这些设备可能都在户外环境中,有些还处在比较极端的环境,会遭遇风沙侵袭等,如果涂层的鲁棒性与稳定性不好,就会影响长期除冰的效果。”
新材料为防结冰上了“三保险”
张雷团队另辟蹊径,利用新型两亲性材料结合光热碳纤维,研发出一种利用太阳光产热的“超级涂层”。这种超级涂层融合了可降低冰点的亲水链段PVP、低表面能材料PDMS、可吸收太阳能的光热碳纤维,为防止设备表面不结冰上了“三重保险”。
张雷解释,设备表面结冰,往往是水先附着在材料的表面而后冻结成冰。“我们使用了亲水链段,它可以束缚水分子,降低水的冰点,相当于延迟了这个过程。”
低表面能材料PDMS具有很低的附着能力,能降低冰雪附着。就像不粘锅因为有低表面能材料的涂层,所以炒菜的时候能达到不粘的效果一样。
“我们把亲水链段和低表面能材料融合,制作成为一种新型两亲性涂料。”杨静介绍,这两种材料一个亲水一个疏水,我们都知道亲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样。为此,我们将低表面能疏水链段两端接上亲水链段,形成两亲性嵌段高分子,而后再把这种两亲性高分子“编织”到低表面能材料的交联网络中。由于新链段中有低表面能链段,因此很容易与交联网络融合。亲水链段会迁移到涂层表面,使这种新型涂层同时具备了降低冰点和低附着力两种性能。
而后张雷团队又把这种两亲性高分子材料与纳米碳纤维结合,纳米碳纤维的加入不仅可以吸收太阳光产热除冰,更由于它的疏水性而进一步降低了PDMS基涂层表面的附着力。“新型涂层在太阳光照下,表面温度可以达到46℃。既可以发热融冰,又极大降低了冰附着力,仅依靠风力、重力等自然条件,就能使设备表面的覆冰轻松脱落。”杨静说。
工艺简单成本低稳定性高
实验结果表明,这种新型涂层稳定性良好,经过30次的循环抗冰测试,冰附着强度都没有明显的变化。而且可经受酸雨、落沙的冲刷,甚至可耐受200次砂纸摩擦。杨静介绍,由于我们开发的这种抗冰涂层利用的都是材料本身固有的物理化学性质,而非依赖涂层表面上制备微结构或涂有润滑油等工艺方法,因此涂层抗冰性能更加稳定,鲁棒性更突出。
“这种新型涂层利用了创新性的想法和设计,对于涂层的原料配比和制作工艺还有待优化。”张雷介绍,我们利用的3种材料成本都不高,制作工艺也更适宜于产业化,因此未来实际应用的前景可期,有望成为高空、户外等环境下各类大型设备、精密仪器的“防寒服”。“下一步,我们将致力于开发出更极端、恶劣环境下可以维持抗冰效果的涂层,相关工作正在研究过程中。”(记者 陈 曦? 通讯员 焦德芳)
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