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哈工大赫曉東、矯維成團(tuán)隊(duì) CEJ：具有靜態(tài)平米級(jí)除冰和動(dòng)態(tài)防冰性能的耐久型聚脲防冰涂層
2023-11-21  來(lái)源：高分子科技

  結(jié)冰是造成許多安全事故的重要原因，其危害體現(xiàn)在航空航天、電力系統(tǒng)、地面交通等方面。目前應(yīng)用最廣的主動(dòng)防/除冰技術(shù)存在耗能大、效率低、易對(duì)環(huán)境造成污染等問(wèn)題。相較之下，被動(dòng)防/除冰材料利用材料的本征屬性，能夠在一定條件下實(shí)現(xiàn)延緩結(jié)冰、降低冰與基底粘附力的目標(biāo)，達(dá)到能防冰、易除冰的目的，具有無(wú)能耗、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。然而，耐久性問(wèn)題制約著被動(dòng)防/除冰材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用。涂層耐久性的不足將導(dǎo)致除冰所需的成本增加，或需要頻繁維護(hù)，使得被動(dòng)防/除冰技術(shù)相對(duì)于主動(dòng)防/除冰技術(shù)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)喪失。如何設(shè)計(jì)同時(shí)具有優(yōu)異防冰性能和耐久性的防冰涂層仍然存在較大的挑戰(zhàn)。


  哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所赫曉東教授、矯維成教授在防/除冰材料設(shè)計(jì)理論、涂層可控制備、防/除冰性能測(cè)試評(píng)價(jià)等方面深耕多年，積累了豐富的研究成果和經(jīng)驗(yàn)。近日，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型的具有優(yōu)異耐久性的聚脲防冰涂層。該研究通過(guò)精密的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)聚脲基體中硬段與軟段的種類和含量。聚脲基體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)不僅保證了優(yōu)異的耐久性及內(nèi)聚強(qiáng)度，緩解了低彈性模量聚合物材料用于防冰時(shí)耐久性差的普遍問(wèn)題，還降低了自身的交聯(lián)密度及表面能，帶來(lái)較低的冰粘附。將增塑劑引入聚脲基體中，調(diào)控在冰-涂層界面行為，增塑劑在外部載荷作用下，具有足夠的流動(dòng)性，進(jìn)一步降低冰粘附（圖1）。合理的材料設(shè)計(jì)最大限度地發(fā)揮了涂層中每個(gè)組分的優(yōu)勢(shì)，聚脲防冰涂層實(shí)現(xiàn)低冰粘附強(qiáng)度（~23.7 kPa）的同時(shí)，還具有優(yōu)異的耐久性和化學(xué)穩(wěn)定性（圖2）。經(jīng)過(guò)50次結(jié)冰/除冰循環(huán)、5000次Taber磨損、酸堿浸泡、回收后仍然能保持優(yōu)異的防冰性能。聚脲防冰涂層施工操作簡(jiǎn)單，可采用噴涂、刷涂等工藝成型，將其大面積應(yīng)用于基材表面，可實(shí)現(xiàn)平米級(jí)冰層自重除冰。此外，聚脲防冰涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)防冰性能，與未涂覆涂層的表面相比，涂覆防冰涂層的表面具有更少的積冰量和更長(zhǎng)的結(jié)冰時(shí)間（圖3）。將本研究成果應(yīng)用到飛機(jī)、風(fēng)電葉片、斜拉橋等易受結(jié)冰影響的領(lǐng)域，降低傳統(tǒng)防/除冰裝置的能源消耗，提高設(shè)備使用的安全性能，提升防御結(jié)冰災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力，強(qiáng)化應(yīng)對(duì)結(jié)冰條件下的科技支撐，對(duì)國(guó)防軍工、工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等具有重要意義。


圖1 聚脲防冰涂層的設(shè)計(jì)制備及大面積實(shí)物圖 


圖2 聚脲防冰涂層的耐久性及可回收性 


圖3 大面積冰層自重除冰及動(dòng)態(tài)防冰結(jié)果


  目前，該研究以“Robust polyurea icephobic coatings with static large-scale de-icing and dynamic anti-icing performance”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》上。本文的通訊作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)矯維成教授，第一作者為博士研究生李君。該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（哈工大點(diǎn)子基金）等經(jīng)費(fèi)資助。


  原文鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723060709

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