超疏水表面防結(jié)冰結(jié)霜性能的研究

超疏水表面防結(jié)冰結(jié)霜性能的研究

0納米結(jié)構(gòu)材料的作用20世紀70年代，德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，露珠可以自由從荷葉中滾動，并提出“荷葉效應(yīng)”。此后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展(主要是各種精密的檢測手段的出現(xiàn)),研究人員通過SEM和ESEM等手段觀察發(fā)現(xiàn)荷葉表面(其在ESEM下的照片如圖1所示:(a)為低倍下的荷葉表面的SEM;(b)為高倍下的荷葉表面的SEM;(c)為荷葉背面的納米結(jié)構(gòu))確實由許多微米級乳突構(gòu)成,而這些微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在著納米結(jié)構(gòu),正是這種微納米相間的階層結(jié)構(gòu)和表面蠟質(zhì)層的共同作用賦予了荷葉表面超疏水特性。隨著人們對超疏水表面的研究興趣與日俱增,尤其是近年來雨雪冰凍災(zāi)害對輸電通信電路、航空、航海或高鐵運輸造成的不同程度的損失,更使人們加大了對超疏水表面防覆冰和抗結(jié)冰的研究力度。研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)的融冰和除冰方法相比,超疏水技術(shù)的一個重要應(yīng)用就是抗結(jié)冰結(jié)霜,即延遲、降低甚至完全阻止冰霜在固體表面的堆積,能夠較好地解決問題。經(jīng)過大量的研究證明,表面的超疏水化降低了冰在表面的粘附強度,延遲了冰的增長。但是最近的研究又表明,超疏水表面并不能持久抗結(jié)冰:尤其是當超疏水表面遇到環(huán)境溫度極低、濕度很大以及液滴從很高的高度下落的情況時,超疏水表面抗結(jié)冰的情況并不是很理想,有時甚至其表面一旦結(jié)冰更難除去。現(xiàn)在,本文就低溫、大濕度環(huán)境下和液滴在高高度下落的超疏水表面超疏水性能進行相關(guān)探討和研究。1超疏水特性的確定通常研究人員將液滴在固體表面上接觸角大于150°、滾動角小于10°的表面稱為超疏水表面,同時將這種超疏水表面所具有的自我清潔作用稱為“自潔效應(yīng)”。研究表明,固體表面獲得超疏水特性主要取決于其表面的低表面能和粗糙微結(jié)構(gòu),因此,獲得超疏水特性的方法無非就是在固體表面用低表面能物質(zhì)修飾和制造粗糙微結(jié)構(gòu)。現(xiàn)研究的超疏水涂層抗結(jié)冰原理就是基于超疏水表面的低表面能和粗糙結(jié)構(gòu)減少水滴與表面的接觸面積,延緩水滴在涂層表面的結(jié)冰時間,同時還可以盡量減少和避免水滴在涂層表面的附著使得水滴在涂層表面不易累積,或是在未結(jié)冰之前就已從涂層表面借助于重力、風力或者其他外力的作用滑落,從而減少了冰在其表面形成的機會。2影響超疏水表面疏水性能的因素值得注意是,當前許多對超疏水表面的研究都是在室內(nèi)(即溫度和相對濕度保持相對不變)或者是溫度和濕度在正常范圍內(nèi)(非極低溫和大濕度)的條件下進行的,在此條件下超疏水表面有著良好的抗結(jié)冰結(jié)霜性能。但在真實的環(huán)境中如高空中懸掛的電線和云層中飛行的飛機機翼都有可能遭遇到低溫或大濕度的情況,這種外在條件的改變是否會影響超疏水表面抗結(jié)冰結(jié)霜性能?目前這方面的研究并不是很多,發(fā)表的相關(guān)的文章尤其是針對這種低溫、大濕度以及液滴高高度下落等多種因素對超疏水表面疏水性能影響的研究更是少之又少。因此,加強對固體表面的超疏水性能在這方面的相關(guān)研究就顯得尤為重要,下面就對液滴在不同的壁面溫度、濕度和高度下對超疏水表面性能影響的研究進行總結(jié)。2.1不同溫度和濕度下的滾動軸承法2011年LongYin等利用純凈的鋁棒在HCl(37%(質(zhì)量分數(shù)),40mL)和HF(40%(質(zhì)量分數(shù)),2.5mL)混合溶液中浸泡20s,用去離子水洗凈干燥處理后分別涂覆低表面能的有機涂層PFO、PA和RTV,然后測得其表面的接觸角均在160°左右,滾動角均小于5°,符合超疏水表面的定義,其測量結(jié)果見表1。將得到的這些超疏水表面分別置于濕度為30%、60%和90%,溫度在-10～30℃之間變化的環(huán)境中,觀察到液滴在壁面溫度為0℃以下、濕度為30%時保持為超冷水狀態(tài),其接觸角的平均值變化也不大,分別為162.2?！?.0°、161.2°±2.6°、156.2°±2.2°;當濕度為60%時,涂覆PFO和PA的鋁表面在壁面溫度為-10℃時接觸角下降到148.4°,涂覆RTV的Al表面的接觸角卻為130°;當濕度為90%、壁面溫度低于10℃時,各固體表面的接觸角均呈下降趨勢,特別是涂覆RTV涂層的Al表面在壁面溫度為0℃和-10℃時,接觸角分別為135.2°±2.0°、112.2°±4.4°,已經(jīng)失去了超疏水性,具體結(jié)果如圖2所示。衡量固體表面超疏水特性的兩個指標是水滴在其表面的接觸角和滾動角,通常認為接觸角越大其表面的疏水性也就越好。但是判斷表面的疏水效果時,還應(yīng)該考慮到它的動態(tài)過程,即水滴在表面上移動的難易程度,一般用滾動角來評價。因此LongYin等在相同的條件下分別測得上述涂層表面的滾動角,得出的結(jié)論是隨著固體壁面溫度的降低和濕度的增大其滾動角呈逐漸增大的趨勢,尤其是涂覆PFO涂層的鋁表面在濕度為30%,溫度從10℃到-10℃變化時,其滾動角從9.6°±4.4°迅速增大到63.8°±7.5。,當濕度繼續(xù)增加時,水滴在其表面的粘附力顯著增大,在壁面溫度小于凝點時結(jié)冰,此時即使?jié)L動角為90°也難以滑落。他們分析認為超疏水表面能夠防結(jié)冰結(jié)霜是因為液滴在其上不能穩(wěn)定附著(接觸角大于150。,滾動角小于10°,水滴與固體表面的粘附力很小),但是由于在超疏水表面仍然存在結(jié)冰點(在超疏水表面制作過程中無法避免存在局部微小的光滑點),因此隨著壁面的溫度降低,液滴與固體表面的粘附力增大,這樣就由Cassie模型變?yōu)閃enzel模型,從而失去了超疏水性。而對于大濕度的條件,可能是由于在超疏水表面的微納米結(jié)構(gòu)附近形成了局部過飽和狀態(tài),在這種狀態(tài)下液滴占據(jù)了超疏水表面間隙中的空氣使得液滴在表面的接觸角增大、滾動角減小。另外徐文驥也通過實驗研究了在保持環(huán)境溫度28.7℃、濕度φ=70%不變而壁面溫度在-14.8～-5.2℃之間變化時液滴從一定高度滴落到鋁基體超疏水性表面的動態(tài)超疏水表現(xiàn)。當環(huán)境溫度和濕度不變時,鋁基體超疏水表面邊緣部分在相同時刻的霜高隨著冷表面溫度的降低而增加。由圖3可知,在不同冷表面溫度下,鋁基體超疏水表面和普通鋁表面邊緣部分的霜高差別均不大,但超疏水表面中部在-5.2℃時于700s長滿霜晶,在-10.1℃時于500s長滿霜晶,在-14.2℃時于300s長滿霜晶,即鋁基體超疏水表面的抑霜能力隨著冷表面溫度的降低而減弱。文獻又對比研究了天然荷葉表面和人造超疏水表面在控制水汽凝結(jié)條件下的超疏水性能的穩(wěn)定性。通過計算和測試各表面在-10～30℃,相對濕度分別為10%、30%、60%、90%條件下的滾動角和接觸角,發(fā)現(xiàn)當相對濕度較低(低于60%)時,荷葉表面和仿荷葉表面的超疏水性能都不受溫度變化的影響;當相對濕度較高(高于60%)時,由于水汽的逐步凝結(jié)使各表面的接觸角下降,滾動角增大。分析認為荷葉表面和仿荷葉超疏水表面由于凝結(jié)的水汽浸入其微米結(jié)構(gòu)中發(fā)生了Cassie狀態(tài)向Wenzel狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,從而使其接觸角下降。這些研究有助于理解表面結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)對排水性的影響,同時也說明仿荷葉超疏水表面并不適合應(yīng)用于抗凝露,因此需要從自然界中尋找新的靈感來設(shè)計具有抗凝露性能的超疏水表面,在設(shè)計超疏水表面時,要考慮其在實際應(yīng)用中(抗凝露、抗結(jié)冰)的可行性,要求其不僅要具有合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計而且要具有環(huán)境適應(yīng)能力。2.2液滴發(fā)射的超疏水鋁表面的粘結(jié)超疏水表面上的微納米粗糙結(jié)構(gòu)通常比較脆弱,容易因加工和使用過程中的沖擊、摩擦等機械作用而損壞,從而失去超疏水性。為此YuanyiWang等研究了在一定的溫度和濕度下液滴從不同高度滴落在超疏水表面上的表現(xiàn)。他們利用10μL液滴在壁面溫度為-10℃,濕度為45%～55%條件下,從不同高度(5cm、20cm、50cm)撞擊親水性、疏水性和超疏水表面,通過高速攝像機拍攝了一系列水滴在與表面碰撞、接觸、鋪展到最大半徑到最后收縮甚至反彈的過程,發(fā)現(xiàn)液滴在親水性和疏水性表面立刻收縮,但是卻在表面結(jié)冰,并沒有反彈;在超疏水表面水滴鋪展的直徑較之前者要小得多,等完全收縮后即反彈離開固體表面到一定的高度且在超疏水表面也沒有殘留,但是隨著液滴下落高度的增大,水滴反彈離開表面后在表面也開始有殘留并慢慢有冰形成。而周艷艷更是同時考慮超疏水的壁面溫度和液滴下落高度對超疏水表面結(jié)冰結(jié)霜的影響,進行了液滴從30～120mm高度下落在壁面溫度分別為-7.8℃和-28.5℃的超疏水鋁表面的實驗,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看到,溫度為-7.8℃時,隨著滴水高度的不斷增加,超疏水鋁表面的結(jié)冰量幾乎沒有變化,超疏水鋁表面很好地抑制了結(jié)冰,但是當上升到一定高度時,超疏水鋁表面開始出現(xiàn)結(jié)冰,而溫度為-28.5℃時,在更低的高度便開始結(jié)冰。這是因為當溫度足夠低時,水滴凍結(jié)所需時間就會更加短,致使部分水滴在滴落到表面時沒來得及脫落就開始凍結(jié),所以在-28.5℃時超疏水鋁表面出現(xiàn)結(jié)冰的高度會較-7.8℃時低。此外,楊寶海等通過可視化實驗研究了直徑為2.855mm的液滴在不同高度下撞擊靜態(tài)接觸角為156°的超疏水壁面后的抗結(jié)冰結(jié)霜特性,其液滴Weber數(shù)(We=ρv2D0/σ,表征液滴的撞擊速度,其中σ、ρ、D0、v分別為液滴的表面張力、密度、直徑及撞擊速度)在8～130之間,用光學(xué)儀器設(shè)備同時記錄了液滴撞擊壁面過程的正面及底面圖像,結(jié)果表明,液滴撞擊壁面的速度對液滴的前進角、后退角以及液滴反彈后的空中運動特性都有較大的影響。同時觀察到在其他條件不變時,隨著液滴高度的增加超疏水表面的結(jié)冰量開始增加。分析認為可能是因為液滴從一定高度下落時具備了較大的速度,使得液滴能夠進入固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)間隙,占據(jù)了粗糙結(jié)構(gòu)間隙里空氣的位置,造成液滴與固體表面直接接觸,表現(xiàn)為Wenzel模型,從而失去了超疏水特性,甚至當液滴高度到達一定值時,水滴降落時對超疏水鋁表面的沖擊力增大且對表面造成的破壞加大,所以在連續(xù)的滴水情況下,超疏水鋁表面受到的破壞就會越來越嚴重,致使表面的某些部分失去超疏水性而結(jié)冰。因此固體表面除需具備超疏水性外還應(yīng)具備較高的機械強度,以使其表面的粗糙結(jié)構(gòu)或涂層在較高的沖擊力之下不被破壞而失去超疏水性能,這也是今后超疏水表面研究需突破的一個方向。3超疏水表面緩沖劑防凍結(jié)結(jié)霜機理隨著最近幾年學(xué)者們不斷對超疏水表面結(jié)構(gòu)的超疏水性能開展研究,人們已由發(fā)現(xiàn)“荷葉效應(yīng)”時的驚奇到現(xiàn)在對荷葉表面的結(jié)構(gòu)研究并仿生制作出超疏水表面用于防結(jié)霜結(jié)冰工程。雖然已明白了超疏水表面的疏水性來自于其表面的粗糙微結(jié)構(gòu)和低表面能物質(zhì),