防冰高分子材料-高分子学报.PDF

第12 期 高 分 子 学 报 No. 12 2017 年12 月 ACTA POLYMERICA SINICA Dec., 2017 ⋅专论⋅ 防冰高分子材料* 吕健勇贺志远 王健君** ( 中国科学院化学研究所 北京 100190) 摘 要 防冰高分子材料作为一种新型功能高分子材料，在电力、通讯及运输等领域有广泛应用. 表面的覆 冰现象往往开始于冰的成核，发展于冰的传递，危害于冰的积聚. 针对材料表面冰晶形成的环节，揭示冰晶 形成的分子机制是设计和开发防冰高分子材料的关键. 本文简要介绍了本课题组在防冰高分子材料领域的 研究进展，包括设计搭建的基本研究设备，以及具有调控冰成核、控制冰传递、降低冰黏附等不同功能的 防冰高分子材料. 关键词 防冰，高分子材料，冰成核，冰传递，冰黏附 防冰高分子材料是指具有防冰功能的一类 防冰的关键是揭示分子层面冰晶的形成机 高分子材料. 传统意义上功能高分子材料的化学 制，即冰晶成核、生长及重结晶等的机制. 一百 功能、电功能、磁功能、光功能、医学功能等均 多年来，尽管冰相关的科学问题吸引了不少顶级 无法涵盖防冰功能. 因此，我们将防冰高分子材 科学家. 但是，迄今为止人们对分子层面冰晶形 料归属为一种新型功能高分子材料. 成机制的理解却不尽如人意. 综上所述，防冰高 在日常生产和生活中，许多领域都有防冰的 分子材料的研究具有重要的社会意义和科学意 需求. 例如飞机在穿越富含过冷水滴的云层时, 义. 我们从探讨结冰过程中涵盖的基本科学问题 机翼等部位容易发生结冰现象，导致阻力增大, 出发，实验结合理论模拟研究了冰晶成核、传递 并影响飞机的稳定性和操作性，严重时引起飞机 等环节的分子机制，开发了具有调控冰成核、抑 [1] 失事 . 寒带地区的列车在运行过程中，会将轨 制冰传递、降低冰黏附等不同功能的防冰高分子 道两侧的路面积雪吸卷到转向架部位，使制动组 材料. 在本专论中将介绍防冰研究所需的仪器设 件等冻结，威胁行车安全. 架设在恶劣环境中的 备以及近年来我们在防冰高分子材料领域取得 塔架等电力、通讯设施同样会受到结冰的危害, 的一些研究结果，并对防冰高分子材料的发展方 在2008年初的雨雪冰冻灾害中，仅国家电网公司 向进行展望. 下辖的就有884座35 kV 以上电站、15300条10 kV 1 基本研究设备 以上输电线路、184000座高压电塔、519000个低 [2,3] 1.1 结冰过程观测设备 压电杆不同程度受损 . 根据国家民政局的统 计数据，此次冰灾造成的直接经济损失高达 结冰过程中存在的能量和物质交换，增加了 1516.5亿元，导致了我国南方地区长时间、大面 研究高分子材料影响冰成核和传递等过程的复 积的电力、通讯、运输、生活保障设施等的瘫痪, 杂性. 文献中报道的实验结果往往相差很大，防 给人们的生产和生活带来不便. 此外，在国防领 冰高分子材料的研究缺少可靠的实验依据，因而 域，在寒冷地区服役的雷达、系留气球、飞艇等 科学家对分子层面冰晶形成与演变的机制尚不 装备与设施同样会受到结冰的威胁.