多功能涂层：集疏冰性、快速自愈合、高透明度和可回收性于一身
2020-02-04 20:30:40
作者：本王整理 来源：高分子科学前沿
过度积冰会对各种基础设施能造成致命性破坏，传统的除冰方法如电加热或者使用除冰剂不仅耗能而且会对环境产生重要危害。为此，近年来，各种具有低冰黏附力（小于100 kPa）的涂层被开发出来。然而在某些功能性基础设施中，比如太阳能面板、玻璃窗、传感器的表面不仅需要低冰黏附力，而且需要高的光透明性。积冰将会阻隔光线的射入这些表面从而导致相应设施的失效。为了持续保护这些基础设施，涂层又必须具有一定的机械耐用性，而自愈合是实现机械耐用性的一个有效的方法。为满足这些要求，近日，挪威科技大学纳米力学实验室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）基于分子设计及动力学模拟（图1），开发出了具有快速自愈合、高透明度和可回收性的疏冰涂层。该文章以“Ultrafast self-healing and highly transparent coating with mechanically durable ice phobicity“为题发表于Applied Materials Today 。
图1快速自愈合透明疏冰涂层的分子设计及自愈合机制
研究表明不仅是分子链的柔性，氢键位点的浓度同样对所制备弹性体的自愈合速率有着重要的影响。氢键位点浓度越高，容易形成氢键从而限制了分子链的移动，进而降低愈合速率，但同时能够增加断裂处形成新的氢键的概率，反而能增加愈合处的强度。该研究通过优化分子链和氢键浓度，制备出了具有超快速的自愈合能力弹性体，能够在室温下，45min之内恢复80%以上的拉伸强度（图2）。实验和分子动力学模拟揭示了快速自愈合原理。通过XPS表征，研究者发现断裂表面的自由氢键位点才是决定愈合速率的关键，具有浓度较高的自由氢键位点的样品能够获得最高的自愈合速率（图3）。
图2所制备弹性体的快速自愈合能力。
图3 XPS揭示了快速自愈合原理。
由于采用柔性很高且疏水的聚二甲基硅烷（PDMS）作为链段，所制备弹性体具有较低的弹性模量和较高的水接触角（图4a-c）。当加载切应力于涂层表面的冰时（图4d），低模量的涂层和高模量的冰之间就会形成应变不匹配，从而在界面处产生缺陷，进而促进冰的剥离。由于低模量和疏水性，涂层具有较低的冰黏附力（38.3?±?0.5?kPa）。更重要的是，涂层的快速自愈合能力使其获得出色的机械耐用性：在20次结冰/除冰循环后，甚至是在切割愈合后，涂层依然能够保持在50 kPa左右的冰黏附力。涂层还展现出了超高的透明度（图5a，b）和可回收性（图5c）。
图4所制备涂层的润湿性及疏冰性
图5所制备涂层的润湿性及疏冰性
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