飛機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、輸電線路和公路等基礎(chǔ)設(shè)施表面結(jié)冰會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失甚至造成災(zāi)難性事故。當(dāng)前除掉積冰的方法主要包括電熱除冰、熱風(fēng)除冰和機(jī)械除冰等，但這些技術(shù)方法通常效率低且耗能。其他基于化學(xué)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(shè)備表面的積冰，但對環(huán)境有害且對金屬設(shè)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(xué)化工學(xué)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(yīng)型防除冰涂層研究。天津大學(xué)化工學(xué)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(xué)化工學(xué)院為論文的第一完成單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委以及中國博士后科學(xué)基金面上項目等支持。
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圖1太陽光響應(yīng)型防除冰涂層制備方法
該工作利用新型兩親性材料結(jié)合光熱碳纖維，開發(fā)了一種太陽光響應(yīng)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(chǔ)設(shè)備（如圖1）。該涂層的優(yōu)異性能關(guān)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(jī)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(jìn)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(fēng)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(qiáng)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(dá)到46℃，與冰接觸的表面先融化，進(jìn)而更加降低了冰與基質(zhì)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(yīng)用所需的“魯棒性”，可經(jīng)受酸雨、落沙的沖刷，涂層冰附著強(qiáng)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(yīng)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(chǔ)設(shè)備表面防除冰應(yīng)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(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)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(xué)基金委“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支撐計劃”、天津市“中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)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(xué)“我心目中的十佳導(dǎo)師”。擔(dān)任《中國化工學(xué)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(hù)等獨特性質(zhì)，應(yīng)用于生物化工多個領(lǐng)域，包括人造胰島、細(xì)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(xué)化工學(xué)院講師、碩士生導(dǎo)師，入選科技委人才。主要從事細(xì)胞保存、仿生抗冰材料、柔性電子皮膚材料等領(lǐng)域的研究。
課題組主頁：
http://bpetc.tju.edu.cn/zhanglab.html
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