高科技涂层无惧冰冻三尺

传统的防覆冰手段通常有溶液防冰、机械除冰、热能除冰等，而这些手段的实施有一定难度，并且要耗费大量的人力物力，效果可能还达不到理想预期效果。人们开始慢慢意识到，利用涂层防冰这一更为简便维护方便的方法。

探索之一

——利用涂层延迟结冰

有机-无机复合超双疏涂层用于自清洁、长效防腐和延迟结冰
受自然界生物体表面特殊浸润性现象启示的超疏水功能材料正受到越来越多研究人员的关注。超疏水表面优异的界面不润湿特性使其在自清洁、海洋防腐、低温防覆冰、油水分离、液体输运、能量收集等领域具有良好应用前景。前期研究已证实表面超疏水化是减缓金属与合金材料腐蚀失效的重要途径。然而，目前超疏水防腐材料仍面临诸多挑战亟待解决，例如机械稳定性不足、低表面张力液体粘附、空气层耐压性欠佳等。

近日，中国科学院海洋研究所海洋环境腐蚀与控制技术研究团队张斌斌等重点针对低表面张力液体表面润湿粘附和“扎钉”现象导致的空气层屏蔽功能失效问题，采用有机-无机复合杂化和表面喷涂技术设计制造了一种兼具超疏水和超疏油特性的POS@Al2O3@Epoxy有机-无机复合杂化超双疏自清洁防腐防冰涂层。

超双疏涂层低温环境下延迟结冰特性

研究结果发现所制备的超双疏自清洁涂层对不同表面张力的液体均展现出优异的斥液性和液体无损传输功能。电化学测试结果显示涂层表面电荷转移电阻较空白碳钢基体提升8个数量级、腐蚀电位正移590mV、腐蚀电流下降4个数量级。同时，涂层在经受480h盐雾加速腐蚀和2400h户外大气腐蚀暴露测试后仍维持性能稳定。-10℃和-15℃低温环境下的结冰测试也进一步揭示了涂层具有显著的延迟结冰和降低界面冰粘附力特性。以上研究结果充分证实了该涂层具备优异的防腐防冰功能、规模化制备和推广应用潜力，为海洋防腐防污先进材料与技术的开发奠定重要基础。

 
探索之二
——提高粘附力降低因子让覆冰主动断舍离？

弥补疏水类涂料表面在受到雨水冲击时形成的微观结构损伤
在北方区域，风机叶片结冰后，设备上大量的结冰无法及时融，严重时，将会导致风电场电量突然下降。同时因叶片结冰后会引起载荷增加，直接影响叶片寿命。因此研究风机叶片表面涂料的防冰性能十分必要。

涂层防冰是利用特种涂料的物理化学作用，使冰融化或者减小冰与基材表面的亲和力，从而让冰主动或被动的掉落。目前主流的防覆冰涂层一般有两种：1、利用涂层的低表面能减小与冰的亲和力；2、从涂层中挥发出超低冰点的有机小分子降低界面的冰点。较为传统的疏水涂料，疏水防水防尘还可以，一旦结冰后，形成范德华力后除冰效果逐渐减弱，使用寿命短。

当冰的厚度超过 83mm 厚度后，冰会自行脱落

2003年，国际防结冰材料实验室（AMIL）率先提出粘附力减少因子（ARF）这一概念，它是未涂层表面上的冰粘附应力与涂层样品上冰粘附应力的比值。因此近几年，业界开始转向研究高ARF粘附力减少因子防冰涂层。

Uniqe疏冰防冰涂料防结冰涂料是大连义邦为中国市场引入的防覆冰涂料，它的ARF值可达31，冰粘附力降低90%以上，约93%~94%。当冰的厚度超过83mm厚度后，冰会自行脱落（当ARF值为100，此时冰的粘附力降低99%）。区别于传统的疏水憎水涂料，拥有更坚固光滑的表面，耐用性经过测试已达到5年以上，具有非常好的防冰效果。

这款专门为风电市场新建和改造项目而研发的具有强大防结冰或抗结冰能力的专业配方涂料，由环氧-硅氧烷混合物组成，其主要性能是防止冰在风机叶片表面累积，弥补了疏水类涂料表面在受到雨水冲击时形成的微观结构损伤，同时也是一款强耐候性涂料，具有出色的防结冰、抗结冰、耐磨损、防紫外线、防潮湿等特性，随风机运转会快速脱落。

探索之三
——可自我修复实现防冰

受损防冰涂料反而“促结冰”？
户外基础设施和工程装备（主要包括风电叶片、输电线路、飞机、海上石油平台等）表面覆冰时存在安全隐患，易造成严重的人员伤亡和重大的经济损失。用于这些户外基础设施表面的防冰涂层在露天场景下不可避免受到如冰雹、沙尘暴、高空异物等撞击，导致表面发生严重的机械损伤，降低防冰涂层的使用寿命。如何理解并克服机械损伤对于防冰涂层的影响是防冰领域面临的关键难题。

近日，天津大学化工学院张雷、杨静团队在Science合作期刊《Research》上发表了题为“Inhibition of Defect-Induced Ice Nucleation, Propagation, and Adhesion by Bioinspired Self-Healing Anti-Icing Coatings”的研究论文。首次系统地揭示了涂料表面机械损伤对涂料防除冰性能的影响机制，并提供了一种在低温下可自主自愈合的仿生防冰涂料。此前张雷、杨静团队开发的基于多重动态键的“全天候”自愈合材料首次实现了在低温、水下、强酸/碱等极端环境的自主自愈合，之后团队将该材料与氟化石墨烯结合，制备出自愈合光热防冰涂层应用于实际防/除冰工作。

损伤表面的冰扩散

此次发表的研究工作首先通过实验配合理论计算，探究了涂料损伤缺陷处的结冰过程。通过高速摄像观察到，低温下缺陷处优先产生冰晶进而扩散至整个水滴完全结冰。已冻结的水滴会以缺陷为“桥梁”，向邻近水滴进行冰晶的扩散传递，最终使相邻水滴冻结。通过第一性原理和有限元计算发现，涂料缺陷处与水分子的吸附能力更强、传热速度更快，因此冷凝水更容易在缺陷处成核结冰。另外，缺陷处结冰后会与冰形成嵌入式“互锁结构”，增加了冰在涂料表面的粘附强度和除冰难度。

该团队研究挖掘了天然抗冻蛋白的关键抗冻模块（冰结合位点IBS与非冰结合位点NIBS），通过模拟IBS与NIBS抗冻模块，构建了仿抗冻蛋白聚合物PDSB，并加入到自愈合材料基质中，制备了兼具优异防结冰和易除冰性能的自愈合防冰涂料。

该防冰涂料通过PDSB的“NIBS”模拟模块结合水分子，降低表面冰非均相成核温度，通过“IBS”模拟模块抑制冰晶扩散传递，提高了涂料的防结冰性能。结果表明，与钢板相比，该涂料的冰成核温度降低了-15.8℃、结冰延迟了48.4倍、冰扩散速度下降两个数量级。此外，涂料通过低表面能结构以及两性离子SB链段与界面水分子形成的不冻结水，降低了涂料的冰粘附强度，提高了涂料的除冰性能，冰粘附强度仅为空白钢板的1/23。

该工作与目前国际上已报道的防冰涂料相比，不仅可以在低温下自主愈合，还可以同时抑制冰成核、传递和粘附，具有环境适应性和大规模涂装潜力，为应用于户外易损伤环境下防冰涂料的研发提供了新思路。

结语

尽管这些正在进行的研究活动表明，涂层本身不能用于防冰和除冰操作，但它们应该被视为冰冻防护的积极补充行动，以减少冰冻引发的危害和对环境生态的破坏。

来源：荣格-《涂料与油墨—中国版》

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