超级涂层为户外设备披上“防寒服”

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,由于这种新型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,涂层利用的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。”

来源:科技日报

作者:陈 曦