户外基础设施表面的防冰涂料极易受到机械损伤，这不仅会造成涂料的“失效”，甚至还会加速表面结冰、增加除冰难度。具有自主愈合功能的防冰涂料可以有效延长涂料的使用寿命并保持其防冰性能。然而，防冰涂料的应用环境是复杂多样的，在一些极端环境（如冰冻天气、酸雨等）下，涂料的自愈合性能面临着挑战，因此开发出在各种极端环境下依然实现自愈合的防冰涂料是一项重大挑战。
近日，天津大学化工学院张雷、杨静团队在国际知名期刊《Small》 （IF=15.153）上发表了题为“An Extreme-Environment-Resistant Self-Healing Anti-Icing Coating”的研究论文。天津大学化工学院硕士研究生李瑞琪和博士研究生田澍为论文的共同第一作者。张雷教授和杨静副教授为通讯作者，合作单位为滨州魏桥国科高等技术研究院，该研究得到了国家自然科学基金和天津自然科学基金的支持。
此前，该团队设计了一种基于多重动态键的“全天候”自愈合材料，首次实现了材料在低温、水下、强酸碱等多种极端环境下的自主自愈合（Nat. Commun. 2020, 11, 2037）。此工作将自愈合材料与氟化石墨烯纳米填料 (FG) 结合，制备了一种可在低温（-20℃）、强酸（pH=0）和强碱（pH=14）多种极端环境下自主自愈合的防冰涂料，且该防冰涂料表现出优异的防结冰和节能除冰性能，如图1。
由于自愈合材料多依赖于动态氢键作用，而涂料表面氢键会造成冰与表面的强结合力，这导致了自愈合性能和防/除冰性能难以兼备。该工作将疏水的氟化石墨烯（FG）加入到自愈合材料中制备防冰涂料，FG覆盖了涂料表面氢键，显著提高自愈合了涂料的防/除冰能力，如图2所示，同时维持了材料优异的自愈合性能。
如图3a所示，该防冰涂料可以显著降低水在钢片表面的非均相成核（HIN）温度，加入5 wt% FG的自愈合涂料（SHF5）的HIN温度可低至-30.3℃。同时涂料可以显著延迟钢片表面水的结冰时间（图3b），SHF5将钢片表面水滴的结冰时间（7 s）延长了40倍（285 s）。另外该涂料具有良好的节能除冰性能，冰剪切强度最低为48.7 kPa，并且在50次结冰/除冰循环期间的保持稳定（图3c）；此外，FG还赋予了该涂料优异的光热除冰性能（图3d）。
该涂料在4 ℃、-20 ℃、pH=0、pH=14等极端环境下均可实现自主愈合的效果，如图4。
此外，涂料表面损伤会促进结冰并通过与冰之间的“互锁结构”导致难除冰。该工作进一步研究了涂料自修复后的防结冰/除冰性能。结果显示，相较于未损伤的自愈合涂料，愈合后的涂料成核温度（-27.5℃）、冰剪切强度（50.2 kPa）等防冰、除冰性能均恢复良好。经过10次损伤/愈合循环后，仍保持良好的除冰性能，如图5。
该工作相比于国际上报道的自愈合防冰涂料，该涂料兼具：（1）不需要外界刺激，可实现自主愈合；（2）可在多种极端环境下愈合；（3）愈合后仍保持良好的除冰性能等特点（图6）。本工作开发了一种可在极端环境下自愈合的防冰涂料，对在极端环境下基础设备表面防除冰具有实分重要的意义。
图6 本工作涂料与国际上报道的自愈合防冰涂料性能对比
论文信息：
An Extreme-Environment-Resistant Self-healing Anti-icing Coating
Ruiqi Li #, Shu Tian#, Yunqing Tian, Jiancheng Wang, Sijia Xu, Kai Yang, Jing Yang* and Lei Zhang*
Small 2022. DOI：10.1002/smll.202206075
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202206075
张雷，天津大学化工学院生物化工系教授、系主任、博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。主要研究方向包括生物化工与合成生物学、低温保护、功能材料、海洋涂料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, CES, Research, Engineering等期刊发表论文100多篇。
杨静，天津大学化工学院副教授、博士生导师。主持国家级重点项目、国家自然科学基金、天津市基金、教育部博士后基金等项目。主要研究方向为细胞保存、仿皮肤材料、合成生物学等。已在Nature Communications, Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, AIChE Journal等刊物发表第一作者/通讯作者SCI论文40余篇。
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