ACS Applied Materials & Interfaces:具有增强抗冰性能的热机械弹性体

文摘   2024-07-12 20:47   四川  
中国科学院宁波材料技术研究所李彤副研究员ACS Applied Materials & Interfaces具有增强抗冰性能的热机械弹性体

引用格式:

Yan W, Li T, Zhang Y, et al. Thermomechanically Resilient Polyionic Elastomers with Enhanced Anti-Icing Performances[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024.

防冰凝胶抑制冰的形成和积聚;然而,目前的迭代面临着普遍的缺点,如强度差,基底粘附力弱,以及有限的防冰性能。在此,我们提出了一种新的方法来解决这些挑战,即开发具有增强抗冰性能的热机械坚固聚离子弹性体(PIE)。由于来自ILs和聚电解质网络的离子抑制了冰的形成,PIE表面的结冰延迟时间长达5400 s,并且在- 10°C下暴露3.5 h后仍保持无霜状态。此外,在−20°C条件下进行30次冰/除冰循环试验后,PIE具有显著的抗冰耐久性,冰附着强度低于35 kPa。经过砂纸磨损(300次循环)、刮擦和热处理(100°C, 16小时),粘接强度保持在20 kPa左右,突出了其在各种热和机械条件下的弹性。这种特殊的耐久性归因于ILs的低挥发性和PIE网络内强大的离子相互作用。此外,由于PIE中丰富的氢键和静电力,它在低温和环境中都表现出良好的自愈性能和很强的衬底附着力。这项工作提出了一种创新的方法来开发高性能、耐用和坚固的防冰材料,在各个领域具有潜在的意义。

1.(a)说明编制方案的示意图。(b) PIE的化学结构和PIE中的各种相互作用

2.(a) PIE前驱体溶液和PIE的红外光谱。(b)不同IL(EMIES)含量下聚合物链段−N+(CH3)2−和PIE中−SO3−的拉曼光谱。PIE-40AFM (d)高度图和(e)相位图。(f)通过AFM尖端测量得到的PIE-40PMMA表面的力-位移曲线。

3.抑制冰成核。(a)不同IL含量的IL/水混合液的熔化温度。(b)不同温度下玻璃和PIE-40表面水滴的冻结过程。(c)在−10℃和65% RH条件下,Al、玻璃和PIE-40表面结霜。(d)凝水后IL与水相互作用示意图及生成的IL/水混合层。

4.冰在PIE表面的粘附强度。(a)20℃时冰在不同表面的粘附强度比较。(b) PIE-40与不同厚度的商用PDMS涂层的冰粘接强度比较。(c)不同温度下不同IL含量的PIE表面冰的粘附强度。(d)不同温度下PIE-40/ice界面的数码照片。(e)不同含水率PIEDSC测试的加热曲线。(f) PIE与冰之间的防冰隔离层示意图。

5.防结冰耐久性。(a) P(AA-AAm)PIE-40- 20°C下的结冰/除冰循环试验。(b)磨损试验期间PIE-40表面冰附着强度的变化。(c) PIE-40表面划伤后的冰附着强度测试。(d) ILPIE-4025 ~ 650℃之间的热重分析。(e) PIE-40100°C环境箱中热处理后的冰粘附强度试验。(f) PIE-4050%70%相对湿度下的吸湿试验。

6.PIE的机械稳定性。(a)不同IL含量的PIE拉伸试验。(b) PIE-40的自愈试验。(c) PIE在不同基材上的粘附强度;(d)相互作用示意图。

总结与展望
综上所述,我们提出了将离子液体(ILs)纳入合理设计的聚合物电解质的概念,从而产生具有优异疏冰性的热机械弹性聚离子弹性体(PIE)涂层。经过30次冰/除冰循环试验,PIE表面结冰延迟时间为5400 s,冰的粘附强度保持在35 kPa以下。在- 20°C时,即使经过砂纸磨损(300次循环)/刮擦/热处理(100°C, 16小时)测试,它仍保持低于20 kPa的冰粘附强度。此外,PIE具有高强度,低温自愈性和很强的基材附着力,使其非常适合在恶劣条件下长期运行。研究结果表明,PIE优异的疏冰性是由于在涂层-冰界面形成的隔离层,这是扩散到水中和水分子之间相互作用的结果。此外,聚离子弹性体(PIE)涂层的网络结构对ILs的释放速率、迁移和扩散起着重要的控制作用,这可能是未来研究的重点。


原文链接:

http://dx.doi.org/10.1021/acsami.4c04501

相应的成果以Thermomechanically Resilient Polyionic Elastomers with Enhanced Anti-Icing Performances为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上,文章通讯作者为李彤副研究员 


中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台,主要研究方向为表面防除冰,航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿,交流合作。

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