用于大规模除冰涂层应用的低界面韧性自分离热固性材料

《Materials Horizons》：A low interfacial-toughness self-segregating thermoset for large-scale ice-shedding coating application

　　

积冰现象在众多领域均会产生不利影响，因此开发冰释放涂层具有重要意义。近期应力局域化表面（stress localized surface, SLS）概念的引入，为开发更具耐久性的除冰涂层开辟了新路径。然而目前已开发的各类除冰方案普遍存在耐久性不足或工艺过于复杂的问题，难以实现工业化规模应用。基于此，研究人员探究了一锅法自分离硅氧烷-聚氨酯（siloxane–polyurethane, Si–PU）热固性体系作为耐久应力局域化表面的潜力，以实现大规模结冰场景下的易除冰性能。本研究重点分析了自分离Si–PU涂层表面模量异质性的形成倾向，以及此类异质性诱导冰/涂层界面裂纹萌生与扩展的能力。研究结果表明，该材料首次在实现低界面韧性的同时，保持了相对较高的模量（>1 GPa），且无需传统报道中所需的亚微米级厚度（本研究中涂层厚度≥30 μm），也未采用任何复杂工程手段。该研究为理解应力局域化诱导低界面韧性的影响因素提供了重要见解，所实现的高力学性能（相较于该领域传统硅橡胶弹性体）为开发更耐久、更易施工的涂层以解决大规模结冰问题奠定了基础。

这篇发表于《Materials Horizons》的研究针对当前除冰涂层领域的核心瓶颈展开。现有硅橡胶弹性体虽施工简便，但模量过低导致耐久性不足，且需较大厚度才能发挥界面滑移效应，同时与基材附着力差；纹理表面、注液多孔光滑表面等替代方案则存在制备复杂、多周期耐久性不足的缺陷。应力局域化表面（SLS）通过引入模量异质性降低冰附着力的思路虽有前景，但现有技术要么依赖光刻等多步复杂工艺，要么仍受限于PDMS的低力学强度，且多数研究仅关注小尺寸冰样，无法反映真实大规模结冰场景下的性能衰减。为此，研究人员开发了单组分自分离硅氧烷-聚氨酯（Si–PU）热固性涂层体系，旨在兼顾低界面韧性与高力学耐久性，适配工业级大规模应用需求。

研究人员采用的关键技术方法包括：通过一锅法共反应IPDI基多异氰酸酯、三官能羟基封端聚己内酯与两类官能化PDMS（碳醇双官能C-PDMS、氨基单官能A-PDMS）构建自分离涂层体系；采用原子力显微镜（AFM）相位成像与力映射表征表面形貌与模量分布；通过可变长度冰样剥离实验区分强度控制区与韧性控制区，结合临界力计算界面韧性（interfacial toughness, Γ）；采用拉伸测试与Taber磨损实验评估涂层力学与耐磨耐久性；通过10次结冰-推离循环验证涂层性能稳定性。

结果与讨论

涂层表面基础表征：AFM与电镜分析表明，PDMS含量、混合时间及官能团类型共同调控表面微区尺寸：低PDMS含量或长混合时间得到微观尺度分散相，高PDMS含量或短混合时间形成宏观大尺寸分散相。所有含PDMS涂层表面能均约为22.5 mN·m^?1，符合PDMS特征，证实表面被PDMS微区覆盖。AFM力映射显示，PDMS微区模量较周围聚氨酯基体低1–2个数量级（约50–100 MPa vs. ≈1 GPa），仅在表面无PDMS微区的5% A-PDMS-O样品中未观测到模量异质性，证实表面模量差异源于PDMS微区的存在。

除冰性能及PDMS微区尺寸与覆盖率的影响：可变长度冰样剥离实验显示，纯聚氨酯对照组力随冰长线性增长，而含表面PDMS微区的自分离涂层均在6–8 cm冰长后进入力平台区，表明从强度控制转为韧性控制，实现低界面韧性。唯一无表面PDMS微区的5% A-PDMS-O样品未出现力平台，证实仅靠表面能降低（PDMS均匀层）不足以触发低界面韧性，必须存在表面模量异质性。界面韧性计算表明，C-PDMS系列平均Γ≈0.70 J·m^?2，A-PDMS系列略低（≈0.52 J·m^?2），且在测试范围内微区尺寸与覆盖率对Γ无显著影响。厚度从80 μm降至30 μm时，5% A-PDMS-4 h的Γ进一步降至0.25 J·m^?2，接近0.1 J·m^?2的理论下限。

耐久性：拉伸测试显示含PDMS涂层的杨氏模量最低为1.38 GPa，仅较纯聚氨酯对照组（1.60 GPa）下降约14%，远高于传统PDMS弹性体的100 kPa–5 MPa范围。Taber磨损实验显示磨损指数与纯聚氨酯相当，符合ASTM D4060-19标准对聚氨酯涂层的预期。10次结冰-推离循环后，涂层表面形貌与力平台值均无显著变化，且所有涂层在喷砂铝基材上均达到5B级交叉 hatch 附着力，证实其长期服役稳定性。

涂层透明度：80–100 μm厚度的C-PDMS涂层透明度接近纯聚氨酯对照组，有望应用于太阳能板等透光场景；A-PDMS涂层雾度较高，但文字仍可辨识，减薄后透明度可进一步提升。

结论：研究人员证实一锅法自分离Si–PU涂层可通过表面PDMS微区同时引入模量与表面能异质性，在不显著降低本体力学性能的前提下实现低界面韧性（最低0.25 J·m^?2），且该性能在大尺寸冰样与多周期循环中保持稳定。该技术突破了传统除冰涂层“低模量-低耐久性”或“高性能-高复杂度”的权衡限制，为大规模工业除冰应用提供了兼具耐久性与施工便捷性的新方案。