超分子凝胶在复杂防冰流体中的自组装，用于制备具有增强性能的多组分材料

《Langmuir》：Self-Assembly of Supramolecular Gels in Complex Anti-icing Fluids to Create Multicomponent Materials with Enhanced Performance

低分子量凝胶化物（DBS及其衍生物）与航空抗结冰流体（ABC3、ABC K+、ABC S+）中的聚合物协同作用形成纳米纤维网络，显著提升热稳定性和抗结冰性能。在ABC K+中，添加0.25 g/L的DBS-SCH3可将Type II流体升级为Type IV，冰冻防护时间延长至120分钟以上，且凝胶在剪切力下可恢复。研究揭示了LMWG-聚合物相互作用对凝胶结构及性能的影响，为低成本抗结冰剂开发提供新思路。

　　
该研究系统探讨了低分子量凝胶化剂（LMWGs）与复杂防冰液（ABC 3、ABC K+、ABC S+）的协同作用机制及其对航空防冰性能的优化效果。研究以1,3:2,4-二苯基叉二 sorbitol（DBS）及其衍生物DBS-OCH3和DBS-SCH3为对象，通过多尺度表征和性能测试，揭示了LMWGs与聚合物添加剂的相互作用规律，为新型防冰剂开发提供了理论依据。

在基础溶剂（丙三醇:水=50:50）中，DBS系列LMWGs通过氢键网络和π-π堆积形成纳米纤维结构，其热稳定性和力学性能随疏水性增强呈现非线性变化。当将这种自组装能力引入含聚烯烃增稠剂的工业防冰液时，发现不同防冰液的成胶行为存在显著差异。

实验表明，ABC S+（高性能型IV类防冰液）和ABC K+（中性能型II类防冰液）均能有效促进LMWGs的成胶，而ABC 3（基础型II类防冰液）的协同效果最弱。TEM图像显示，DBS和DBS-OCH3在防冰液中形成均匀的纳米纤维网络（5-10 nm直径），而DBS-SCH3因强疏水性产生特殊现象：其纳米纤维表面附着聚合物微球（200-1000 nm直径），形成"核壳"复合结构。这种微观结构差异直接导致性能分化——DBS-SCH3成胶速度最快（<10秒），但凝胶刚度仅为DBS的1/16，热稳定性却提高约15%。

关键发现包括：
1. **协同成胶机制**：预形成的聚合物网络（如ABC S+中的高分子增稠剂）为LMWGs提供了结构支架，使凝胶临界浓度（MGC）降低至0.025% wt/vol（对应0.25 g/L），较纯溶剂体系降低40%。
2. **性能优化梯度**：在ABC K+中，0.025% DBS可使防冰性能从II类提升至IV类（Holdover时间达118分钟）；DBS-SCH3在ABC S+中表现尤为突出，0.05%浓度即可使Holdover时间提升32分钟（从90.7增至122.7分钟）。
3. **动态响应特性**：通过变频率流变学测试发现，DBS在ABC S+中形成宽频响应凝胶（1-15 Hz），而DBS-SCH3的响应范围限制在8 Hz以下，但具有更优异的低温稳定性（Tgel提升至82℃）。

工业化应用潜力体现在：
- **成本效益**：DBS作为大宗化学品，价格仅为聚合物增稠剂的1/5，0.25 g/L添加量即可实现性能跃升。
- **工艺兼容性**：无需调整现有生产流程，通过简单复配即可将II类防冰液升级为IV类（如ABC K+→ABC S+级性能）。
- **环境友好性**：基于可逆非共价自组装原理，凝胶在剪切力（如飞机起飞）下可完全解体，避免残留污染。

研究特别揭示了ABC 3中的特殊干扰效应：其聚合物添加剂（推测为丙烯酸酯类共聚物）与DBS-SCH3的硫原子形成强π-π相互作用，导致成胶网络局部化，Holdover时间提升幅度较其他体系低60%。这为防冰液配方优化提供了重要启示——需根据具体产品体系选择适配的LMWG类型。

该成果突破传统防冰液依赖单一聚合物增稠的局限，开创了"分子级增稠"新范式。通过调控LMWGs的取代基（如-OCH3与-SCH3的电子效应差异），可精准调节成胶动力学和热力学稳定性，实现防冰性能的定向优化。这种基于分子自组装的增稠技术，不仅解决了传统防冰液易结块、难恢复的痛点，更展现了绿色可持续的防冰剂开发新路径。