北京理工大学贺志远教授、上海交通大学王京副教授Chemical Engineering Journal：低温自修复防冰两性离子水凝胶

引用格式：

Ma H, Chen Y, Jiang L, et al. Cryo-healing anti-icing zwitterionic hydrogels[J]. Chemical Engineering Journal, 2026: 181175.

研究概要

在严寒环境下，防冰表面因机械损伤而发生功能失效是目前尚未解决的关键问题之一，其主要原因在于传统的自修复机制在低温冻结条件下往往难以正常发挥作用。本文报道了一种Cryo-Gel材料，该材料能够在-20 ℃条件下，仅依靠流动水分子的作用实现损伤的自主修复。Cryo-Gel是一种两性离子水凝胶网络材料，其共价骨架内部引入了具有动态特征的非共价硼酸酯键。该材料在零下温度环境下兼具优异的机械韧性和快速的动态键重构能力，因此能够在水冲洗、除霜或降雨作用下触发自修复过程。研究表明，仅需经历一次除霜循环，即可修复磨损后的Cryo-Gel，并恢复其优异的防冰性能。在极端低温-45 ℃条件下，与未涂覆表面相比，Cryo-Gel可使霜形成延迟时间提高约20倍，并使冰累积延迟效果提高约2.5倍。该研究建立了一种构筑耐久、自适应疏冰材料的新原理，使材料能够在极端环境下保持防冰功能，并突破以往自修复体系因低温条件下动力学过程受限而难以实现有效自修复的根本性瓶颈。

研究内容

图1.兼具防冰与低温自修复性能的Cryo-Gel。(a) 所制备Cryo-Gel与其他先进自修复聚合物的自修复温度对比，包括Ami.-PU（酰胺-聚氨酯）[39]、Dop.-PU（多巴 胺-聚氨酯）[38]、Dis.-DSPU（二硫键交联聚氨酯）[37]、PCL-BMI（聚己内酯-双马来酰亚胺）[36]、β-CD-WPU（β-环糊精-水性聚氨酯）[35]、Ure.-PU（脲基-聚氨酯）[34]、Fur.-DAPU（呋喃-狄尔斯–阿尔德聚氨酯）[33]以及Epo.-PDMS（环氧树脂-聚二甲基硅氧烷）[32]。(b) Cryo-Gel的合成过程及结构构筑示意图。该水凝胶网络由统计型 poly(HEMA-co-SBMA) 共聚物主链构成，并通过动态硼酸酯键进行交联。(c) 所制备 Cryo-Gel 与其他先进防冰涂层的抗结霜和防冰性能对比。

图2.Cryo-Gel的结构与力学性能。(a) Cryo-Gel在800–1900 cm？1波数范围内的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱；(b) Cryo-Gel在2800–3800 cm？1波数范围内的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱；(c) Cryo-Gel的质量损失率；(d) Cryo-Gel的杨氏模量；(e) Cryo-Gel的韧性；(f) Cryo-Gel的压缩应变。误差棒由3次独立实验测定结果计算得到。

图3.涂层在机械损伤、水作用及低温条件下的高效自修复性能。(a) 涂层在循环磨损过程中的示意图；(b) 磨损样品及自修复后样品的数码照片；(c) 磨损涂层在水中浸泡 1 min 前后的表面形貌；(d) 磨损样品在400–800 nm波长范围内的透过率；(e) 自修复样品在400–800 nm波长范围内的透过率；(f) 磨损涂层的除霜与自修复过程；(g) 刀片在涂层表面产生划痕的示意图；(h) 划痕宽度为350 μm的机械损伤涂层的自修复过程，每次均在水中浸泡1 min；(i) 涂层在-20 ℃条件下的自修复过程。

图4.涂层的渗透行为及其自主修复机械损伤的作用机制。(a) 涂层分散于水中，在聚合前（prime）和聚合后（permeation）的液相色谱图；(b) 聚合前（prime）和聚合后（permeation）分散于水中的HEMA单元的质谱图；(c) Cryo-Gel涂层中聚合物渗透过程示意图；(d) 受损Cryo-Gel涂层的自修复过程示意图。

图5.涂层在不同温度条件下延缓结霜与结冰形成的性能。(a) Cryo-Gel涂层用于抗结霜和防冰的示意图；(b) 在-15 ℃、相对湿度（RH）为57%条件下，未涂覆基底与涂覆Cryo-Gel涂层基底随时间变化的结霜过程光学图像；(c) 在-45 ℃条件下，以去离子水（DI water）和海水为水源时，未涂覆样品与涂覆样品的结冰延迟时间；(d) 在不同亚零度温度（-15 ℃、-25 ℃、-35 ℃和-45 ℃）、相对湿度为57%条件下，各样品的归一化结霜时间；(e) 不同亚零度温度条件下，以海水为水源时各样品的归一化结冰时间。所有数据均为至少3次独立测量的平均值，并给出了相应的标准差。

图6.霜冻影响区域内风电与太阳能发电设施的全球空间分布（2021–2025年）。图中蓝色渐变表示基于ERA5-Land数据计算得到的年均霜冻天数（Mean Annual Frost Days，MAFD）；红色折线表示5天霜冻阈值边界。绿色三角形和红色圆形分别表示风电场和太阳能光伏电站的空间位置。该地图采用WGS 84地理坐标系（EPSG:4326）进行可视化。

总结与展望
总之，本研究通过紫外光固化技术制备了一种兼具优异自修复性能和防冰性能的多功能刚性涂层。值得注意的是，即使涂层在-20℃条件下受到损伤，或产生宽度为350μm的划痕以及经历1000次磨损循环后，仍能够在水驱动条件下实现稳定可靠的自修复，包括经水冲洗、除霜及降雨作用后的自主修复。该优异的耐损伤自修复能力主要源于复合交联结构中可逆硼酸酯键和氢键的协同作用，使涂层无需外部干预即可实现动态修复。这种自修复能力能够显著提高涂层的可持续性，通过延长其抗结霜和防冰服役寿命，减少频繁更换的需求，并降低材料浪费。此外，涂层优异的防冰和抗结霜性能来源于聚合物链向界面水中的渗透作用。该过程通过强水合作用干扰冰晶成核，从而有效抑制结霜与结冰过程，并为提高能源利用效率带来了新的可能。例如，在所识别的霜冻区域全面应用Cryo-Gel涂层后，预计每年可获得1.833 TWh的额外能源收益，其中风电贡献1.727 TWh，太阳能贡献0.106 TWh。相对于所采样发电设施理论年发电量804.66 TWh，这一增益对应的净增幅约为0.228%。尽管从百分比来看这一提升幅度较为有限，但1.83 TWh的新增电量相当于约 15万～20万户家庭一年的用电量，对于提升全球能源安全以及优化低碳电力系统仍具有重要意义。因此，该创新技术有望显著降低能源消耗和碳排放，进一步推动气候关键领域的全球可持续发展目标。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.181175

相应的成果以“Cryo-healing anti-icing zwitterionic hydrogels”为题发表在Chemical Engineering Journal上，文章的通讯作者为北京理工大学贺志远教授和上海交通大学王京副教授。

来源：超疏水防冰表面