改性亲水高分子的合成及防结冰特性研究

Accumulated ice on cold surfaces leads to operational difficulties and high maintenance efforts for power transmission lines, antennas, aircrafts, ships, and ground transportation vehicles. The research for anti-icing materials has long been one of the hot topics in the world. To solve the existing problems of the anti-icing materials, hydrophilic polymers are modified by grafting and cross-linking methods and then grafted onto different substrates. The proportions of free water and bonding-water would be reduced. And the proportion of non-freezing water should be increased by use of the hydrogen bond interactions between the hydrophilic groups and the water molecules. By combination of molecular design and modification conditions, this study examines the factors that affect the freezing point such as chemical compositions and modification methods. Quantitative relationship between the interfacial properties and the ice adhesion are established. By introducing a non-freezing liquid water layer between the ice and the substrates, the ice adhesion was reduced and the ice on the substrates can be removed off the surfaces by the gravity or the wind action. The anti-icing materials designed in the research is environmental-friendly and without substrate damage, which is of great importance in developing high efficient and recycling anti-icing materials as well as in providing a new insight of the researching anti-icing materials.

冷表面上结冰会影响如电力输电线、天线、飞行器、船舶和地面交通工具的正常运行并导致较高的维护费用，因此防结冰材料的研究一直是国际上研究的热点问题之一。为了解决防结冰材料存在的问题，申请人拟以常见的亲水性高分子材料为基础，通过接枝和交联的方法对高分子进行改性，将亲水性高分子材料固定在常见的基材表面；利用亲水性基团的与水分子之间的氢键作用，调控自由水和键合水的比例，增加非结冰水的比例，结合分子设计和改性技术，研究亲水性高分子化学组成以及改性条件对降低冰点的影响，建立表面/界面特性与冰粘附力之间的定量关系；通过在基材表面与冰之间构建一层不结冰的水层，降低冰与基材表面的粘附力，从而使表面的冰能够在重力或风力的作用下脱离表面。本项研究开发的防结冰材料对环境无污染，对基材无损害，有望发展稳定高效可重复利用的防结冰材料，同时为防结冰材料的研究与设计合成提供新的思路和理论指导。

研究背景：在自然界中，结冰/霜是十分普遍的现象，当空气中的水蒸气接触到温度低于空气露点温度的表面时，就会发生相变结霜的现象，在生产生活中结冰/霜会造成不必要的能源浪费，导致安全隐患甚至产生灾难性的事故，因此研究有效的防结冰方法对于降低能耗，节约能源，保障人民的生产生活安全具有十分重要的意义。.主要研究内容：为了解决防结冰材料存在的问题，课题组以常见的亲水性高分子材料为基础，通过接枝和交联的方法对高分子进行改性，将亲水性高分子材料固定在常见的基材表面；利用亲水性基团的与水分子之间的氢键作用，调控自由水和键合水的比例，增加非结冰水的比例，结合分子设计和改性技术，研究亲水性高分子化学组成以及改性条件对降低冰点的影响，建立表面/界面特性与冰粘附力之间的定量关系；通过在基材表面与冰之间构建一层不结冰的水层，降低冰与基材表面的粘附力，从而使表面的冰能够在重力或风力的作用下脱离表面。.重要结果：（1）亲水性高分子的交联对于其在复杂条件下的防结冰涂层的稳定存在具有重要的意义；（2）通过理论分析发现非结冰水和可结冰水在控制冰粘附方面具有协同作用。（3）吸水量和结冰温度的关系对于控制合成在较低温度下具有低冰粘附力的材料具有重要的指导意义。（4）亲水聚电解质的结构对于结冰温度具有重要的意义；（5）聚电解质吸水电离后所带电荷的电性对于结冰温度具有重要影响，带负点的聚电解质其结冰温度更低。.关键数据：（1）通过控制亲水高分子的种类和交联度，可以准确控制非结冰水的比例，实现在-25℃下冰粘附力维持在25kPa左右；（2）带负电的亲水高分子的结冰温度更低，比带正电的亲水高分子低3~5℃；（3）通过引入多巴胺分子，可以将防结冰涂层应用几乎所有的材料的表面。.科学意义：本项研究开发的防结冰材料对环境无污染，对基材无损害，有望发展稳定高效可重复利用的防结冰材料，同时为基于亲水高分子的防结冰材料的研究与设计合成提供新的思路和理论指导。