超疏水低黏附防覆冰涂层的设计及其除冰性能研究

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在寒冷的大气环境中,表面积冰是一种自然现象,但这会使电力网络、航空货运和交通运输等人类工业体系的运行存在安全隐患。传统的主动除冰技术,主要涉及人工、电力或化学除冰方式,但这些方式通常存在高能耗、低效率等问题,难以满足广泛、可靠的除冰技术要求。因此,研究高能效的防覆冰表面对减少积冰现象带来的危害具有重要意义。微纳结构超疏水表面通常具有防冰性能,但在除冰过程中微纳结构会被破坏,从而导致冰黏附强度的增加。润滑液体注入多孔表面能有效降低冰与基体之间的黏附力,但复杂的工艺及耐久性问题限制了其应用。针对以上不足,本文结合微纳结构超疏水和润滑表面低黏附性能制备了防冰涂层,研究涂层润湿行为以及除冰性能探讨其低黏附机理。进一步地,开展了防冰表面自愈合性能及其防冰长效性的研究。首先采用喷涂法在室温硫化硅橡胶基体上(RTV-SR)制备了微纳结构超疏水表面,结合聚偏二氟乙烯(PVDF)和碳纳米管(CNTs)调节涂层表面多层级结构,采用蒸气化学沉积低表面能物质全氟癸基三甲氧基硅烷处理涂层表面。制备的涂层具有优异超疏水性能,水接触角达到163°,结冰延迟时间长达584 s,冰附着力低至13.2 kPa(在自然风的扰动下能够轻易去除),即使经过机械磨损或化学侵蚀,涂层表面仍能保持稳定的防冰性能。PVDF颗粒在受热熔融后形成的网络结构赋予了涂层坚固耐久性,CNTs的高效光热转化使得涂层在光照下能产生热量,实现了光热除冰目的,所制备的超疏水防冰涂层展现出兼具主动除冰和被动防冰性能。利用二氧化硅(SiO2)气凝胶表面多微孔吸附硅油(SO)的性质,成功制备了表面润滑涂层。涂层中的SO不仅能够成为冰与基体之间的润滑层,还能在不影响SR固化交联程度下降低其交联密度,从而降低了SR基体表面的冰黏附强度。所制备的润滑涂层表面水接触角小于115°,冰黏附强度低至7.83 kPa,结冰延迟时间为174 s。吸附大量SO的SiO2气凝胶被固化后的SR原位固定在涂层体系中,在冰-基体界面处形成润滑层。SiO2气凝胶自行吸附SO并分散在涂层体系中,使涂层中含有大量低黏附润滑物质并抑制了SO的释放速率。制备的润滑涂层表面冰黏附强度在经过30次结冰-除冰循环后仍保持在25 kPa以下。为延长防冰表面的使用寿命,结合微纳结构表面和润滑涂层的优点,通过引入蜂蜡相变材料、SiO2气凝胶/SO润滑体系和CNTs,以SR作为粘合介质提高涂层体系与基材之间的粘合强度,制备了一种具有自愈合性能的低黏附、超疏水光热响应涂层。在1个太阳光强度的照射下,涂层表面温度迅速上升至85℃,冻结液滴可在150 s内完全融化,结冰延迟时间达到596 s,涂层表面的冰层或霜层在光照下会融化并从其表面脱落。此外,经过化学或机械损伤后,通过简单热处理可使涂层表面微观形貌得以修复并恢复其润湿性能。所制备的涂层具有优异的超疏水和自修复性能,兼具主动除冰和被动防冰性能,在利用自然光除冰领域具有广阔的应用前景。
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