受滑冰运动启发的自润滑水层防覆冰涂层材料

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结冰现象普遍存在并给我们的生活与生产带来极大的不便:降低设备的运行效率,造成不必要的能源浪费,导致安全隐患甚至灾难性事故等。因此,寻求有效的防覆冰方法和策略一直是科研和工程技术人员的奋斗目标。超疏水表面(superhydrophobic surface)由于其独特的憎水性能常用于防覆冰材料。但是在低温高湿的环境中,超疏水表面会逐渐失去其超疏水特性;而且超疏水表面结冰后,冰层会嵌入到基材表面的微观结构中形成所谓的机械互锁力,从而大大增加了材料表面的冰粘附力。填充有润滑油的多孔材料表面(slippery liquid infused porous surface, SLIPS)通过毛细力的作用将润滑油束缚于多孔微观结构中,表面结冰后润滑油能够隔绝冰层与基材的相互作用,具有较低的冰粘附力。然而有研究表明,在毛细力驱动下润滑油会迁移到冰晶表面,造成润滑油的损耗。因此,超疏水表面材料与填充润滑油的多孔表面材料在防覆冰领域具有局限性。

针对目前防覆冰材料研究中存在的问题,中国科学院化学研究所王健君研究员课题组的研究人员开展了相关研究。在滑冰时冰刀与冰面间存在着液态的水润滑层,因此人们能在冰面上自由滑行。该团队受滑冰运动的启发制备了一种新型的自润滑水层防覆冰涂层材料,相关结果发表在Small上。这种自润滑水层防覆冰涂层材料是由多巴胺修饰的透明质酸在弱碱性条件下发生交联反应,并沉积修饰到固体材料表面得到。其中,多巴胺的选择是受到了贻贝蛋白粘附性的启发,交联后的多巴胺能粘附于几乎所有的固体表面;透明质酸是由两个双糖单位D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的糖类,分子中含有大量的羧基和羟基,它的分子能携带500倍以上的水分,且具有优异的保水作用,是目前发现的自然界中最好的保湿性物质,被称为理想的天然保湿因子。低温测试表明,自润滑水层能够在-42℃下仍然保持液态。由于这种液态自润滑水层的存在,使得该涂层具有较低的冰粘附力;通过测试固体表面修饰该防覆冰涂料前后的冰粘附力,发现修饰后材料表面的冰粘附力比未修饰的降低了一个数量级。除此之外,这种防覆冰涂层材料相对其它涂层材料具有以下几个独特的优势:(1) 涂层厚度可控:自润滑水层的厚度可以通过控制多巴胺修饰的透明质酸在固体表面的沉积时间来进行调控,进而调节涂层表面冰粘附力的大小;(2) 适用性广泛:由于聚多巴胺的万能粘附性,使得该涂层几乎能应用所有的固体表面上;(3) 绿色环保:该涂层在制备过程中不需要有机溶剂,且以水作为润滑剂降低冰粘附力,制备和使用均不会对环境造成污染。